Гравітаційні хвилі принесли багато інформації про далекі чорні діри та нейтронні зорі, але вони також можуть дати масштабне уявлення про те, як влаштований наш всесвіт. Нове дослідження з’ясувало, як реєстрація гравітаційних хвиль може незабаром усунути тривалу невідповідність у вимірах розширення Всесвіту.
Проблема розширення
Ми знаємо, що Всесвіт розширюється, але ми досі не впевнені, як швидко. Емпірично отримане значення H0 (цей параметр називають сталою Габбла) характеризує швидкість розширення Всесвіту. Цей параметр, що описує, як швидко галактики віддаляються від нас в залежності від відстані до них, зазвичай вимірюють одним із двох способів:
1. У локальному Всесвіті на підставі визначення відстані до астрономічних об’єктів та їхньої видимої зоряної величини. Цей метод спирається на «драбину відстаней»: відстані до віддалених об’єктів визначають за виміряними відстанями до ближчих об’єктів.
2. У глобальних масштабах за допомогою вимірювань космічного мікрохвильового фону (cosmic microwave background, CMB), тобто реліктового випромінювання від Великого Вибуху.
Халепа? Значення, які ми отримуємо для H0 за допомогою цих двох методів, не узгоджуються між собою! Щоб усунути цю напругу, нам потрібен інший спосіб вимірювання H0, який не залежить від цих підходів. Вихід: темні сирени.
Деякі попередні вимірювання H0 (натисніть, щоб збільшити). Дані, позначені чорними точками, — це вимірювання з «драбиною відстаней» у локальному всесвіті, які дають значення сталої H0 близько 73 км/с/Мпк; червоні точки ― це визначення H0 в ранньому всесвіті за реліктовим випромінюванням, які дають значення близько 67 км /с/Мпк. Фото з сайту https://aasnova.org.
Поклик прихованих зіткнень
Темні сирени — це зіткнення двох чорних дір, коли хоча і не виникає світло, але яке може надати нам цінну інформацію про відстань. Коли чорні діри зливаються, їх гравітаційно-хвильовий сигнал кодує світність явища на тій відстані, де воно відбулося. Поєднуючи цю інформацію з фізичною відстанню до чорних дір, що зливаються (її можна визначити, якщо вдається точно ідентифікувати галактику, де відбулося злиття), отримуємо незалежну оцінку значення H0.
Улов? Зараз наша гравітаційно-хвильова технологія недостатньо хороша, щоб визначити точне значення H0. Ця проблема корениться у двох питаннях: велика невизначеність виміряної світності на відстані злиття в сигналі гравітаційної хвилі та труднощі з точною ідентифікацією галактики, де це злиття відбулося і яке не створює електромагнітного сигналу.
Але надія є! Згідно з підрахунками групи науковців на чолі з Шограбом Борханяном (Ssohrab Borhanian) з університет штату Пенсильванія нові вдосконалення технологій детекторів гравітаційних хвиль можуть незабаром дати змогу робити ці точні виміри.
На цій мапі показано локалізацію гравітаційних хвиль, гамма-променів та оптичних сигналів, спричинених злиттям нейтронних зір, які були зареєстровані 17 серпня 2017 р. Оновлення детекторів LIGO та Virgo мають покращити локалізацію гравітаційних хвиль, що дасть можливість ідентифікувати материнську галактику злиття навіть без електромагнітних аналогів. Фото з сайту https://aasnova.org.
Точне майбутнє
Борханян та його співробітники досліджують низку моделей для майбутнього виявлення подій, що дають гравітаційні хвилі, за допомогою сучасних і майбутніх детекторів із дедалі вдосконаленою технологією.
Нині триває модернізація Лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) та європейського детектора Virgo («Діва»). Автори показують, що прогрес у технології наступного покоління (відомий як 2G +) дасть змогу цим детекторам однозначно ідентифікувати галактики в яких відбуваються злиття чорних дір, не потребуючи електромагнітного сигналу від такого злиття.
Передбачуваний розподіл дрібних помилок при вимірюванні H0 через 2 роки часу спостережень для різних мереж детекторів. Лівий кластер (HLV +) представляє технологію 2G + у мережі, що складається лише з детекторів LIGO-Hanford, LIGO-Livingston та Virgo; правий кластер (ECC) представляє технологію 3G майбутньої мережі детекторів. Різними кольорами показано моделі різних авторських колективів. Фото з сайту https://aasnova.org.
Борханян та його співробітники підрахували, що за допомогою технології 2G + ми зможемо виміряти H0 з точністю до 2% протягом найближчих 5 років — цього достатньо для вирішення проблеми визначення значення сталої Габбла. А якщо ви хочете про щось мріяти, то подивіться на це: технологія детекторів третього покоління, зокрема Телескоп Айнштайна (Einstein Telescope) та Cosmic Explorer, дасть змогу вимірювати H0 з точністю до менш ніж відсотка. Поклик темних сирен веде нас до прекрасно точного майбутнього!
За інф. з сайту https://aasnova.org
