От създаването си преди 13,8 милиарда години, Вселената продължава да се разширява, разпръсквайки стотици милиарди галактики и звезди като стафиди в бързо нарастващо тесто. Астрономите са насочили телескопи към определени звезди и други космически източници, за да измерват тяхното разстояние от Земята и скоростта на премахване - два параметъра, които са необходими за изчисляване на константата на Хъбъл, мерна единица, която описва скоростта, с която Вселената се разширява.
Но към днешна дата най-точните опити за оценка на константата на Хъбъл дават много разпръснати стойности и не позволяват да се направи окончателно заключение за това колко бързо се развива Вселената. Тази информация, според учените, трябва да хвърли светлина върху произхода на Вселената и върху нейната съдба: Космосът ще се разширява безкрайно или някой ден ще се свие?
И така, учени от Масачузетския технологичен институт и Харвардския университет предложиха по-точен и независим начин за измерване на константата на Хъбъл с помощта на гравитационни вълни, излъчвани от сравнително редки системи: двойна система черна дупка - неутронна звезда, енергична двойка, усукана във спирала от черна дупка и неутронна звезда. Докато тези обекти се движат в танца, те създават разтърсващи вълни в пространството и времето и светкавица, когато настъпи последният сблъсък.
В статия, публикувана на 12 юли в Physical Review Letters, учените съобщават, че избликът на светлина ще позволи на учените да оценят скоростта на системата, т.е. колко бързо се отдалечава от Земята. Излъчените гравитационни вълни, ако бъдат уловени на Земята, трябва да осигурят независимо и точно измерване на разстоянието до системата. Въпреки факта, че бинарните системи от черни дупки и неутронни звезди са невероятно редки, учените изчисляват, че откриването дори на няколко от тях ще направи най-точната оценка на константата на Хъбъл и скоростта на разширяване на Вселената до момента.
„Бинарните системи на черните дупки и неутронните звезди са много сложни системи, за които знаем много малко“, казва Салваторе Витале, доцент по физика в MIT и водещ автор на статията. "Ако го намерим, наградата ще бъде нашият радикален пробив в разбирането на Вселената."
Vitale е съавтор на Hsin-Yu Chen от Харвард.
Промоционално видео:
Конкуриращи се константи
Наскоро бяха направени две независими измервания на константата на Хъбъл, едното с помощта на космическия телескоп Хъбъл на НАСА, а другото с помощта на спътника на Планк на Европейската космическа агенция. Измерването на Хъбъл се основава на наблюдения на звезда, известна като променливата Цефеида, както и наблюдения на свръхнови. И двата обекта се считат за „стандартни свещи“за предсказуемостта на яркостта, чрез която учените оценяват разстоянието до звездата и нейната скорост.
Друг вид оценка се основава на наблюдения на колебанията в космическия микровълнов фон - електромагнитно излъчване, останало след Големия взрив, когато Вселената все още е била в зародиш. Въпреки че наблюденията на двете сонди са изключително точни, техните оценки на константата на Хъбъл се различават значително.
„И тук LIGO влиза в игра“, казва Витале.
LIGO, или лазерна интерферометрична обсерватория с гравитационни вълни, търси гравитационни вълни - вълни на тъканта на пространство-времето, което се ражда в резултат на астрофизични катаклизми.
„Гравитационните вълни осигуряват много прост и лесен начин за измерване на разстоянията до техните източници“, казва Витале. „Това, което открихме с LIGO, е директен отпечатък на разстоянието до източника, без допълнителен анализ.“
През 2017 г. учените получиха първия си шанс да изчислят константата на Хъбъл от източник на гравитационна вълна, когато LIGO и нейният италиански колега Дева откриха двойка сблъскващи се неутронни звезди за първи път в историята. Този сблъсък освободи огромно количество гравитационни вълни, които учените измериха, за да определят разстоянието от Земята до системата. Сливането също така излъчи изблик на светлина, който астрономите успяха да анализират със земни и космически телескопи, за да определят скоростта на системата.
След като получиха и двете измервания, учените изчислиха нова стойност за константата на Хъбъл. Оценката обаче дойде с относително голяма несигурност от 14%, много по-несигурна от стойностите, изчислени с помощта на Хъбъл и Планк.
Витале казва, че голяма част от несигурността произтича от факта, че тълкуването на разстоянието от бинарната система до Земята е трудно с помощта на гравитационните вълни, създадени от тази система.
„Измерваме разстоянието, като гледаме колко„ силна “е гравитационната вълна, т.е. колко чисти са данните ни за нея“, казва Витале. „Ако всичко е ясно, можете да видите, че е силно и да определите разстоянието. Но това важи само отчасти за двоичните системи."
Факт е, че тези системи, които генерират завихрен диск на енергия, докато танцът на две неутронни звезди се развива, излъчват гравитационни вълни неравномерно. Повечето от гравитационните вълни са изстреляни от центъра на диска, докато много по-малко от тях са изстреляни от краищата. Ако учените открият „силен“сигнал на гравитационната вълна, това може да означава един от двата сценария: откритите вълни се раждат в краищата на система, която е много близо до Земята, или вълните идват от центъра на много по-далечна система.
„В случай на бинарни звездни системи е много трудно да се направи разлика между двете ситуации“, казва Витале.
Нова вълна
През 2014 г., дори преди LIGO да открие първите гравитационни вълни, Витале и колегите му забелязаха, че бинарна система от черна дупка и неутронна звезда може да осигури по-точно измерване на разстоянието от бинарните неутронни звезди. Екипът проучи колко точно може да се измери въртенето на черна дупка, при условие че тези обекти се въртят по оста си, подобно на Земята, само по-бързо.
Изследователите са моделирали различни системи с черни дупки, включително неутронни звездни системи с черна дупка и бинарни неутронни звездни системи. По пътя беше установено, че разстоянието до черните дупки - неутронни звездни системи може да бъде определено по-точно, отколкото до неутронни звезди. Витале казва, че това се дължи на въртенето на черната дупка около неутронната звезда, защото помага да се определи по-добре откъде идват гравитационните вълни в системата.
„Поради по-точното измерване на разстоянието, мислех, че бинарните системи с черна дупка и неутронна звезда може да са по-подходяща отправна точка за измерване на константата на Хъбъл“, казва Витале. "Оттогава много се случи с LIGO и бяха открити гравитационни вълни, така че всичко изчезна на заден план."
Витале наскоро се върна към първоначалното си наблюдение.
„Досега хората предпочитаха бинарни неутронни звезди като начин за измерване на константата на Хъбъл с помощта на гравитационни вълни“, казва Витале. „Показахме, че има и друг тип гравитационни източници на вълни, които не са били използвани досега: черни дупки и неутронни звезди, танцуващи наоколо. LIGO ще започне отново да събира данни през януари 2019 г. и ще бъде много по-чувствителен, което означава, че можем да виждаме по-отдалечени обекти. Следователно LIGO ще може да види поне една система от черна дупка и неутронна звезда, или по-добре всичките двадесет и пет, и това ще помогне за разрешаване на съществуващото напрежение при измерване на константата на Хъбъл, надяваме се, през следващите няколко години.
Иля Хел