Зіткнення нейтронних зір і чорних дір дають змогу зрозуміти не лише еволюцію зір: ці злиття також можуть бути ключем, який уможливить точні вимірювання космологічних параметрів, що описують наш всесвіт. Результати нещодавнього дослідження вказують на те, чого можна чекати в галузі космології в найближчі кілька десятиліть. Ці сподівання спираються на той факт, що астрономи тепер мають можливість використовувати різні канали для отримання інформації про небесні тіла і явища (так звана багатоканальна астрономія — Ред.).
З’ясування значень параметрів
Точні вимірювання космологічних параметрів є критично важливими, адже ми намагаємося зрозуміти походження, еволюцію і склад нашого всесвіту. Нині є багато оцінок значень таких параметрів, як стала Габбла (H0), густини речовини (Ωm) та параметра (w) в рівнянні стану (p = w×e, де p — тиск середовища, e — густина енергії середовища) темної енергії.
На жаль, різними методами вимірювань отримують значення цих параметрів, що лежать у доволі широкому діапазоні. Науковці довго чекали нового, незалежного методу, який дасть змогу вирішити неузгодженість між результатами попередніх вимірів. Тепер, в епоху гравітаційної астрономії, астрономи мають такий метод — це метод стандартної сирени.
Вимірювання сталої Габбла різними методами показують розбіжність виміряної величини, яка із вдосконаленням методів лише зростала. Фото з сайту https://aasnova.org. Часткова адаптація ВЦ «Наше небо».
Прозріння від сирен
Раніше вже йшлося про використання темних сирен, як інструменту для вимірювання космологічних параметрів. (Про це докладніше в замітці «Поклик темних сирен у точній космології», вміщеній на цій сторінці нижче) Стандартні сирени — злиття нейтронної зорі або з чорною дірою, або з іншою нейтронною зорею, — це також корисний інструмент, але в цьому разі явище спостерігають не лише за гравітаційними хвилями, а й в електромагнітному спектрі.
Ідея проста: одночасно спостерігаючи гравітаційні хвилі та електромагнітні сигнали від явищ злиття небесних об’єктів, можна отримати як абсолютну шкалу відстані, так і вимірювання червоного зміщення джерела. Ця комбінація дає змогу отримати незалежне вимірювання космологічних параметрів — і що більше цих одночасних реєстрацій ми зробимо, то точнішими будуть наші вимірювання.
Але ефективне застосування цього методу вимагає певного планування. Якою має бути найкраща стратегія спостережень, запланованих на найближчі кілька десятиліть, щоб отримати можливість з’ясувати значення цих параметрів за допомогою гравітаційних хвиль та електромагнітних обсерваторій? Нове дослідження, виконане під керівництвом Сінь-Ю Ченя (Hsin-Yu Chen) з Гарвардського університету та Массачусетського технологічноо інституту, з’ясовує це питання.
Схема, що ілюструє стадії зіткнення нейтронних зір. У моделі: 1) дві нейтронні зорі, що обертаються навколо спільного центра мас системи і наближаються одна до одної; 2) вони зливаються, що спричиняє сплеск гамма-випромінювання, який триває десяту частку секунди, 3) невелика частина маси зір, що зазнали злиття, потрапляє в міжзоряний простір і протягом кількох тижнів «світить» у вигляді кілонової, 4) після злиття залишається масивна нейтронна зоря або чорна діра з акреційним диском. Фото з сайту https://aasnova.org. Адаптація ВЦ «Наше небо».
Перспективи від використання майбутніх детекторів
Чен та його співробітники оцінили роль низки очікуваних майбутніх обсерваторій. До них належать:
1. Три ери детекторів гравітаційних хвиль з все вищою чутливістю (A +, Voyager та Cosmic Explorer);
2. Телескопи з великим полем зору для оглядів неба, такі як обсерваторія Віри Рубін, здатні виявляти кілонові, оптичні та інфрачервоні аналоги злиттів за участю нейтронних зір.
3. Космічні обсерваторії для спостережень явищ і об’єктів високих енергій, такі як «Свіфт» та її наступники, виявляють короткі сплески гамма-променів, що є дуже вузькими, але яскравими проявами злиттів.
Схематичний графік наявних (суцільно зафарбовано), тих, які нині мають фінансування (заштриховано), та пропонованих (виділено рамкою) інструментів для реєстрації гравітаційних хвиль та електромагнітного випромінювання протягом наступних трьох десятиліть. Свіфт +/Свіфт ++ — гіпотетичні майбутні космічні гамма-обсерваторії. Фото з сайту https://aasnova.org.
Зважаючи на можливості та обмеження цих обсерваторій, Чен з співробітниками зробив оцінку кількості злиттів, які астрономи зможуть виявити за допомогою спільних гравітаційно-хвильових та електромагнітних спостережень щороку за допомогою різних спостережних проєктів. На підставі цієї оцінки науковці показали, як такі результати вплинуть на вимірювання значень космологічних параметрів.
Невизначеність у вимірюваннях значення H0 для різних стратегій спостережень. Помаранчеві смужки вказують частку загального часу спостережень, доступного обсерваторії Віри Рубін для кожного сценарію кілонової. Фото з сайту https://aasnova.org. Часткова адаптація ВЦ «Наше небо».
Спираючись на виконані розрахунки, автори дослідження окреслюють стратегію спостережень на наступні три десятиліття. Вони демонструють, що завдяки розумному використанню ресурсів ми можемо незабаром досягти точності H0 на рівні відсотка та жорстких обмежень щодо кількості та форми темної енергії у Всесвіті. Ця робота показує великий потенціал використання методу стандартних сирен в космології.
Стаття науковців: «A Program for Multimessenger Standard Siren Cosmology in the Era of LIGO A+, Rubin Observatory, and Beyond» Hsin-Yu Chen et al 2021 ApJL 908 L4 6. doi:10.3847/2041-8213/abdab0.
За інф. з сайту https://aasnova.org
