Физики выявили потенциально прорывной метод измерения скорости расширения Вселенной, давнюю космологическую загадку, с использованием едва заметных колебаний в пространстве-времени, известных как гравитационные волны. Новый подход использует коллективный сигнал от бесчисленных сливающихся чёрных дыр по всей Вселенной – приглушённый «гул» гравитации – для независимой оценки того, как быстро расширяется пространство. Даже без прямого обнаружения этого фона, исследователи уже использовали текущие данные для уточнения ограничений на постоянную Хаббла, значение, представляющее скорость расширения Вселенной.
Проблема Хаббла: ключевая проблема в космологии
Скорость расширения Вселенной является фундаментальной величиной, но её точное значение стало основным предметом споров. Измерения, полученные из наблюдений ранней Вселенной (например, космического микроволнового фона, отголоска Большого Взрыва), систематически не согласуются с измерениями, полученными из близлежащих объектов (таких как сверхновые). Это расхождение, названное напряжением Хаббла, статистически значимо, что указывает либо на неустановленные ошибки в существующих методах, либо на необходимость принципиально новой физики.
Как объясняет физик Йельского университета Кьяра Мингарелли, «Измерения скорости расширения ранней и поздней Вселенной расходятся более чем на 5 сигм… Либо есть неустановленная систематическая ошибка, либо новая физика». Невозможность согласовать эти значения ставит под сомнение наше понимание тёмной энергии, тёмной материи и общей структуры Вселенной.
Использование слияний чёрных дыр в качестве космических линейок
Новое исследование, принятое к публикации в Physical Review Letters, предлагает новый метод, основанный исключительно на гравитационных волнах. С 2015 года обсерватории LIGO и Virgo обнаружили десятки слияний чёрных дыр, каждое событие предоставляет информацию о массах и расстояниях сталкивающихся тел. Анализируя скорость, с которой происходят эти слияния по всей Вселенной, учёные могут вывести свойства гравитационно-волнового фона – комбинированного сигнала от слишком далёких событий, чтобы их можно было разрешить по отдельности.
По словам ведущего автора Брайса Кузинса, «Поскольку мы наблюдаем отдельные столкновения чёрных дыр, мы можем определить скорость этих столкновений, происходящих во всей Вселенной». Общая сила этого фонового сигнала напрямую зависит от скорости расширения; более медленное расширение подразумевает больший объём и больше слияний, что приводит к более сильному фону.
Последствия и будущие перспективы
Исследовательская группа продемонстрировала, что текущее неоткрытие гравитационно-волнового фона уже исключает некоторые более низкие значения постоянной Хаббла. Хотя текущие ограничения всё ещё широки, этот метод устанавливает новую, независимую основу для космологических выводов. Этот подход дополняет существующие методы «стандартных сирен» (использование отдельных гравитационно-волновых событий в качестве индикаторов расстояния), используя всю неразрешённую популяцию слияний чёрных дыр.
Профессор Чикагского университета Даниэль Хольц подчёркивает значимость: «Не каждый день вы приходите к совершенно новому инструменту для космологии». Планируемые обновления гравитационно-волновых детекторов позволят напрямую обнаружить фон в течение нескольких лет, превратив это из нижней границы в точное измерение.
В конечном счёте, этот стохастический метод сирен может стать мощным новым инструментом для исследования истории расширения Вселенной и определения того, представляет ли напряжение Хаббла фундаментальный недостаток в наших моделях или просто скрытые систематические ошибки.
Эта новая техника предлагает жизненно важную независимую проверку существующих космологических измерений и в конечном итоге может помочь разрешить одну из самых насущных загадок современной физики.
