Гравітаційні хвилі відкривають новий шлях до вирішення таємниці швидкості розширення Всесвіту
Фізики виявили потенційно проривний метод вимірювання швидкості розширення Всесвіту, давню космологічну загадку, з використанням ледь помітних коливань у просторі-часі, відомих як гравітаційні хвилі. Новий підхід використовує колективний сигнал від незліченних чорних дірок, що зливаються, по всьому Всесвіту – приглушений “гул” гравітації – для незалежної оцінки того, як швидко розширюється простір. Навіть без прямого виявлення цього фону, дослідники вже використовували поточні дані для уточнення обмежень на постійну Хаббла, значення, що представляє швидкість розширення Всесвіту.
Проблема Хаббла: ключова проблема в космології
Швидкість розширення Всесвіту є фундаментальною величиною, але її точне значення стало основним предметом суперечок. Вимірювання, отримані зі спостережень раннього Всесвіту (наприклад, космічного мікрохвильового фону, відлуння Великого Вибуху), систематично не узгоджуються з вимірюваннями, отриманими з довколишніх об’єктів (наприклад, наднових). Це розбіжність, назване напруженням Хаббла, статистично значуще, що свідчить про невстановлені помилки у існуючих методах, чи на необхідність принципово нової фізики.
Як пояснює фізик Єльського університету Кьяра Мінгареллі, “Вимірювання швидкості розширення раннього та пізнього Всесвіту розходяться більш ніж на 5 сигм… Або є невстановлена систематична помилка, або нова фізика”. Неможливість узгодити ці значення ставить під сумнів наше розуміння темної енергії, темної матерії та загальної структури Всесвіту.
Використання злиття чорних дірок як космічних лінійок
Нове дослідження, прийняте до публікації в Physical Review Letters, пропонує новий метод, заснований виключно на гравітаційних хвилях. З 2015 року обсерваторії LIGO і Virgo виявили десятки злиттів чорних дірок, кожна подія надає інформацію про маси та відстані тіл, що стикаються. Аналізуючи “швидкість”, з якою відбуваються ці злиття по всьому Всесвіту, вчені можуть вивести властивості гравітаційно-хвильового фону – комбінованого сигналу від надто далеких подій, щоб їх можна було дозволити окремо.
За словами провідного автора Брайса Кузінса, “оскільки ми спостерігаємо окремі зіткнення чорних дірок, ми можемо визначити швидкість цих зіткнень, що відбуваються у всьому Всесвіті”. Загальна сила цього сигналу безпосередньо залежить від швидкості розширення; більш повільне розширення має на увазі більший обсяг і більше злиттів, що призводить до сильнішого фону.
Наслідки та майбутні перспективи
Дослідницька група продемонструвала, що поточне невідкриття гравітаційно-хвильового фону вже виключає деякі нижчі значення постійної Хаббла. Хоча поточні обмеження ще широкі, цей метод встановлює нову, незалежну основу для космологічних висновків. Цей підхід доповнює існуючі методи “стандартних сирен” (використання окремих гравітаційно-хвильових подій як індикатори відстані), використовуючи всю недозволену популяцію злиттів чорних дірок.
Професор університету Чикаго Даніель Хольц підкреслює значущість: “Не кожен день ви приходите до зовсім нового інструменту для космології”. Заплановані оновлення гравітаційно-хвильових детекторів дозволять безпосередньо виявити фон протягом кількох років, перетворивши це з нижньої межі на точний вимір.
В кінцевому рахунку, цей стохастичний метод сирен може стати потужним новим інструментом для дослідження історії розширення Всесвіту та визначення того, чи напруга Хаббла є фундаментальним недоліком у наших моделях або просто приховані систематичні помилки.
Ця нова техніка пропонує життєво важливу незалежну перевірку існуючих космологічних вимірів і, зрештою, може допомогти вирішити одну з найнагальніших загадок сучасної фізики.
