Одной из главных задач современной космологии остается точное определение скорости расширения Вселенной. Этот параметр описывается постоянной Хаббла — величиной, которая показывает, как быстро галактики удаляются друг от друга по мере расширения космического пространства.
Однако в последние годы ученые столкнулись с серьезной проблемой: разные методы измерения дают разные результаты. Чтобы решить эту проблему, группа астрофизиков предложила новый способ измерения скорости расширения космоса, основанный на анализе гравитационно-волнового фона, создаваемого столкновениями черных дыр.
Этот подход получил название метод «стохастической сирены» и может стать новым инструментом для уточнения фундаментальных параметров Вселенной.
Почему скорость расширения Вселенной вызывает споры
Вселенная расширяется со времени Большого взрыва. Это расширение было впервые обнаружено в 1920-е годы благодаря наблюдениям красного смещения галактик.
Скорость расширения описывает постоянная Хаббла — величина, которая показывает, насколько быстро увеличивается расстояние между галактиками на космических масштабах.
Однако два основных метода ее измерения дают разные значения.
Метод ранней Вселенной
Он основан на анализе реликтового излучения — слабого микроволнового света, оставшегося после ранних этапов эволюции Вселенной.
Метод наблюдения современной Вселенной
Этот подход использует расстояния до сверхновых звезд и других космических объектов, которые служат своеобразными «стандартными свечами».
Результаты этих методов отличаются примерно на несколько километров в секунду на мегапарсек. Это расхождение получило название «напряжение Хаббла» и уже несколько лет остается одной из главных нерешенных проблем космологии.
Новый подход: гравитационные волны
Альтернативный способ измерения расширения Вселенной связан с использованием гравитационных волн — колебаний пространства-времени, возникающих при мощных космических событиях.
Такие волны образуются, например, при:
-
слиянии черных дыр;
-
столкновениях нейтронных звезд;
-
других экстремальных астрофизических процессах.
Гравитационные волны были впервые напрямую зарегистрированы в 2015 году детекторами LIGO. С тех пор ученые обнаружили десятки подобных событий.
Каждое столкновение черных дыр сопровождается характерным сигналом, который позволяет определить расстояние до источника. Благодаря этому гравитационные волны могут использоваться как своеобразные космические «сирены», помогающие измерять масштабы Вселенной.
Что такое гравитационно-волновой фон
Однако новая методика рассматривает не отдельные события, а общий фон гравитационных волн, создаваемый огромным числом столкновений черных дыр, происходящих во всей Вселенной.
Большинство этих событий слишком слабые или слишком далекие, чтобы их можно было зарегистрировать отдельно. Но их сигналы складываются и формируют непрерывный слабый шум — так называемый гравитационно-волновой фон.
Этот фон можно сравнить с космическим «гулом», возникающим из-за наложения огромного количества слабых сигналов.
Принцип метода «стохастической сирены»
Метод, предложенный исследователями, основан на статистическом анализе этого фонового сигнала.
Идея заключается в том, что интенсивность гравитационно-волнового фона зависит от скорости расширения Вселенной.
Если Вселенная расширяется медленнее:
-
общий объем наблюдаемого пространства меньше;
-
столкновения черных дыр происходят в более плотной среде;
-
фон гравитационных волн становится сильнее.
Если же расширение происходит быстрее, расстояния между галактиками увеличиваются быстрее, и общий сигнал становится слабее.
Таким образом, измеряя интенсивность этого фонового «шума», ученые могут сделать вывод о скорости космического расширения.
Что показали первые расчеты
Исследователи протестировали новый метод, используя данные наблюдений сети детекторов LIGO-Virgo-KAGRA.
Даже несмотря на то, что гравитационно-волновой фон пока не был обнаружен напрямую, уже можно использовать верхние пределы его возможной интенсивности для оценки параметров космологии.
Анализ показал, что отсутствие обнаруженного фона позволяет исключить некоторые сценарии медленного расширения Вселенной.
Кроме того, ученые объединили новый метод с данными о зарегистрированных столкновениях черных дыр. Это позволило получить более точные оценки постоянной Хаббла.
Почему этот метод важен
Главная ценность нового подхода заключается в его независимости от традиционных астрономических наблюдений.
Большинство современных измерений основано на анализе электромагнитного излучения — света, рентгеновских лучей или радиоволн.
Гравитационные волны представляют собой совершенно другой тип сигналов. Они распространяются через пространство практически без искажений и несут информацию о событиях, которые могут быть недоступны обычным телескопам.
Поэтому использование гравитационных волн позволяет проверить космологические модели с совершенно новой стороны.
Когда метод станет более точным
Современные детекторы гравитационных волн уже способны фиксировать отдельные столкновения черных дыр. Однако для точного измерения гравитационно-волнового фона требуется более высокая чувствительность.
Ожидается, что по мере модернизации существующих обсерваторий и запуска новых детекторов ученые смогут напрямую обнаружить этот фон в течение ближайших нескольких лет.
После этого метод «стохастической сирены» сможет дать более точные значения постоянной Хаббла.
Значение для космологии
Если новый подход подтвердит свою эффективность, он может стать одним из ключевых инструментов для изучения структуры и эволюции Вселенной.
Точное измерение скорости расширения позволит:
-
уточнить возраст Вселенной;
-
лучше понять роль темной энергии;
-
проверить фундаментальные космологические модели.
В случае если результаты нового метода будут отличаться от существующих измерений, это может свидетельствовать о том, что в современной физике существуют неизвестные процессы или новые формы материи и энергии.
Новое направление астрономических исследований
Развитие гравитационно-волновой астрономии открывает совершенно новый способ наблюдения космоса. Вместо анализа света ученые получают возможность изучать саму структуру пространства-времени.
Метод «стохастической сирены», основанный на космическом фоне гравитационных волн, показывает, что даже слабые и почти незаметные сигналы могут содержать важную информацию о фундаментальных свойствах Вселенной.
По мере роста чувствительности гравитационно-волновых детекторов этот подход может сыграть ключевую роль в решении одной из самых обсуждаемых проблем современной космологии — определении истинной скорости расширения нашей Вселенной.
Источники:
Статья создана по материалам techno-science.net
