Ученые предложили новый способ оценки текущего темпа экспансии Вселенной с помощью едва уловимого космического гравитационного «гула» от слияний неразличимых компактных объектов.
Объединив данные наблюдений наземных интерферометров и статистику не выявленных сигналов, астрофизики получили уточненные ограничения параметра, вокруг которого разгорается один из самых острых споров в современной космологии.
С тех пор, как ученые узнали, что космос расширяется с ускорением, прошло более двух десятков лет. Но есть проблема — разные методы дают разные значения скорости этого расширения — так называемой постоянной Хаббла (H₀). Измерения по реликтовому излучению — отражению ранней Вселенной — показывают значение около 67-68 километров в секунду на мегапарсек.
Измерения по сверхновым типа Ia и другим объектам в более позднем космосе дают больше — примерно 72-74 километра в секунду. Эта разница слишком велика, чтобы объяснить ее случайными ошибками, поэтому ее и называют «напряженностью Хаббла».
Но вот что особенно интересно: гравитационные волны дают независимый способ измерения космических расстояний. Поясним: когда две черные дыры сталкиваются, они испускают гравиволны — колебания пространства-времени. По форме и силе сигнала можно определить расстояние до источника. Если дополнительно известно его красное смещение (явление, при котором свет от удаляющихся галактик «растягивается» и смещается в красную область спектра), можно вычислить H₀. Такие объекты астрофизики называют «стандартными сиренами».
Авторы нового исследования, представленного в журнале Physical Review Letters, предложили более широкий подход, использовав для вычислений не только отдельные зарегистрированные слияния, но и возможный общий гравитационный фон от огромного числа столкновений далеких черных дыр. Всего исследователи проанализировали 42 события.
Так называемый стохастический гравитационно-волновой фон возникает потому, что во Вселенной происходят миллионы таких слияний. Хотя каждое из таких событий по отдельности слишком слабое для обнаружения, вместе они создают общий слабый сигнал. Правда, пока что этот фон не найден, но именно этот факт стал важным результатом для авторов исследования: они показали, что сила фона зависит от скорости расширения.
Если постоянная Хаббла меньше, наблюдаемая часть Вселенной должна быть больше по объему. Это означает, что в нее попадает куда больше слияний (из-за чего фон должен быть сильнее). Если же H₀ больше — объем меньше, а фон — слабее. Именно по этой причине отсутствие обнаруженного фона позволяет исключить слишком низкие значения постоянной Хаббла: при них он должен быть куда заметнее.
Исследовательская группа под руководством Брюса Козинса (Bryce Cousins) из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне (США) построила единую статистическую модель, одновременно учитывающую свойства черных дыр, частоту их слияний, зарегистрированные события и космологические параметры. Подход позволил уточнить ограничения значений «напряженности Хаббла» по сравнению с анализом отдельных слияний.
Если выводы ученых верны, эффект будет усиливаться по мере накопления данных и повышения чувствительности детекторов. Если же фон так и не обнаружат, ученые получат твердый аргумент против низких значений H₀. Но если Козинс и коллеги правы, скорость расширения Вселенной можно будет измерить еще точнее — уже по совокупному гравитационному «гулу» космоса.
Автор: Любовь Соколова