e-rukovodstvo.ruОднажды, очень давно, в далекой галактике произошло столкновение двух нейтронных звезд. Оно всколыхнуло пространство-время, и спустя сто миллионов лет волна, порожденная столкновением, добежала до Земли и августовским утром 2017 года попала на детекторы. И оказалось, что изучение ее характеристик, зафиксированных детектором, может помочь уточнить, насколько быстро эта далекая галактика и наш Млечный Путь удаляются друг от друга.
Такие столкновения происходят везде. И, если ученые-космологи будут располагать данными о скоростях галактик, находящихся на разном удалении от нас, они смогут точнее определить, как меняется во времени скорость расширения Вселенной. Ведь чем дальше мы заглядываем в пространство, тем более отдаленные эпохи наблюдаем.
Гравитационные волны
Рябь пространства-времени, которую вызвало столкновение массивных объектов, называют гравитационной волной. Эта «рябь» проявляется как колебание метрических характеристик: при ее прохождении изменяются расстояния между объектами.
Гравитационные волны излучает любое тело, движущееся с переменным ускорением, например, Земля на орбите вокруг Солнца. Однако из-за слабости гравитации по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями возмущения метрики пространства-времени в большинстве случаев оказываются так малы, что не поддаются детектированию.
Лишь когда взаимодействуют действительно массивные и при этом компактные объекты, сильно искривляющие пространство-время (черные дыры или нейтронные звезды), гравитационную рябь возможно обнаружить. Для этого используются сверхчувствительные лазерные детекторы LIGO и Virgo.
Вселенная в больших масштабах
Гравитационный сигнал, свидетельствующий о каком-либо экстремальном событии, например, о слиянии черных дыр, расходясь по Вселенной, может дойти до нас через сотни миллионов и миллиарды лет из очень далеких областей. То есть, он несет информацию о Вселенной на больших масштабах пространства и времени.
Главное свойство Вселенной на таких масштабах – это ее расширение, впервые измеренное Эдвином Хабблом в 1929 году. Спустя почти 70 лет, в 1998, ученые выяснили, что темпы этого расширения ускоряются. Знание динамики Вселенной в разные эпохи играет ключевую роль в исследовании ее эволюции, а зависит оно от точного знания скоростей взаимного удаления галактик, находящихся на разном удалении от нас. Так что для космологов очень важно уметь точно определять расстояния во Вселенной.
Что такое постоянная Хаббла и как ее измеряют
Скорость удаления и расстояние связывает в одной формуле особый коэффициент. Это число – постоянная Хаббла – одно из самых важных в космологии, и для его определения используются два независимых способа:
- измерение яркости однотипных сверхновых звезд – «стандартных свечей» – в далеких галактиках;
- изучение неоднородностей космического микроволнового фона – самого древнего из всего, что мы можем видеть во Вселенной.
Размерность этой константы – километр в секунду на мегапарсек (3,26 миллиона световых лет). Она показывает, насколько быстро удаляются друг от друга объекты в зависимости от расстояния между ними.
Проблема в том, что результаты, полученные разными методами, отличаются на несколько процентов (первый метод дает величину 73,2 км/с на мегапарсек, а второй – 67,8), и причины такого стабильного расхождения пока неясны. Профессор Чикагского университета Дэниэл Хольц, работающий в команде детектора LIGO, предложил еще один независимый метод вычисления постоянной Хаббла – при помощи гравитационных волн.
«Стандартная свеча» и «стандартная сирена»
Сама идея использования пространственно-временной ряби в уточнении космологической модели не нова – она родилась еще в середине 1980-х. Но Хольц совместно со своим коллегой из Массачусетского технологического института Скоттом Хьюзом значительно переработали ее с учетом современных знаний. Метод предлагает совместное использование параметров гравитационного и светового излучения.
В космологии и астрофизике широко применяется метод «стандартных свечей» – таких источников света, для которых известна их собственная яркость. Сравнивая ее с наблюдаемой яркостью, ученые рассчитывают расстояние до них.
Гравитационные волны можно использовать для установления расстояния совершенно по-другому. Сигнал о событии, послужившем их источником, имеет вид кривой, по форме которой вычисляется энергия, излученная в ходе этого события. Сравнивая ее с количеством энергии, которую гравитационная волна донесла до Земли, можно определить расстояние, которое она прошла.
По аналогии со световыми источниками – «стандартными свечами» – гравитационные источники было предложено называть «стандартными сиренами».
Помогут нейтронные звезды
Для того чтобы метод работал, необходимо одновременно устанавливать и скорость, и расстояние для одного и того же источника. Скорость удаления в космологии определяется по так называемому «красному смещению» – сдвигу наблюдаемой спектральной картины в более длинноволновую область. Поэтому ученым необходимы такие источники, которые испускают и гравитационные, и электромагнитные волны.
Слияния черных дыр для этого непригодны – от них может дойти лишь гравитационная информация. Подходят только столкновения тяжелых нейтронных звезд, вызывающие не только пространственную рябь, но и мощную вспышку в радио-, гамма- и оптическом диапазонах.
Такие вспышки оставляют послесвечение, позволяющее астрономам точно установить, в какой галактике произошло событие. А по ее красному смещению они могут узнать, с какой скоростью удаляется от нас эта галактика.
Начало положено
Пока приемники LIGO и Virgo зафиксировали только одно событие, которое ученые могут с достаточной уверенностью интерпретировать как слияние нейтронных звезд. Это произошло 14 августа 2017 года. Остальные три зарегистрированные волны гравитации порождены, по-видимому, слиянием черных дыр.
Расчет постоянной Хаббла, выполненный на основе данных, полученных от этого пока единственного источника, дал результат 70 км/с на мегапарсек. Он находится в промежутке между значениями, получаемыми с помощью двух других методов, и судить о его точности пока рано.
Сейчас детекторы LIGO проходят модернизацию. Возобновление их работы планируется на начало 2020-х годов, и ученые ожидают значительного повышения их эффективности. Так что уточнение значения этой важнейшей константы, как и многие другие ценные научные достижения, уже не за горами.
