«Коллективное гудение» черных дыр может исправить ошибочное понимание Вселенной

Физики, возможно, получили совершенно новый способ измерения скорости расширения Вселенной — одной из самых больших неразгаданных загадок космологии — используя пространственно-временные ряби, предсказанные Эйнштейном.

Новое исследование предполагает, что слабый фон гравитационных волн, создаваемый многочисленными сливающимися черными дырами во Вселенной, может быть использован для независимого измерения скорости расширения пространства. Даже без прямого обнаружения этого фонового «гула» исследователи показывают, что он уже накладывает ограничения на постоянную Хаббла — ключевую величину, лежащую в основе одной из самых больших загадок современной космологии.

Если это подтвердится, данная методика сможет положить конец спорам о том, нужно ли нам придумывать новые физические законы для объяснения природы Вселенной.

Скорость расширения Вселенной, закодированная в постоянной Хаббла, в последние годы стала предметом интенсивных дискуссий. Измерения, основанные на данных о ранней Вселенной, такие как данные, полученные из остаточного излучения Большого взрыва (известного как космическое микроволновое фоновое излучение), не совпадают с измерениями, полученными на основе данных о более близких объектах, таких как мерцающие сверхновые и галактики. Это расхождение, известное как «натяжение Хаббла», в настоящее время достигло высокой статистической значимости.

«Проблема Хаббла — одна из важнейших нерешенных проблем в космологии. Измерения скорости расширения Вселенной в ранней и поздней эпохах расходятся более чем на 5 сигма [золотой стандарт статистической значимости в физике], и мы не знаем почему. Либо существует неустановленная систематическая ошибка, либо новая физика. Любое действительно независимое измерение скорости расширения чрезвычайно ценно», - объясняют ученые.

Новое исследование, принятое к публикации в журнале Physical Review Letters и доступное в виде препринта, предлагает такой независимый метод, основанный почти исключительно на гравитационных волнах — едва заметных рябьх в ткани пространства-времени, предсказанных теорией общей относительности Эйнштейна.

«Этот результат очень важен», — говорит соавтор исследования профессор Николас Юнес из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. «Наш метод — это инновационный способ повышения точности определения постоянной Хаббла с помощью гравитационных волн».

Начиная с 2015 года, такие детекторы, как Лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), интерферометр Virgo и детектор гравитационных волн Kamioka (KAGRA), наблюдали десятки отдельных слияний черных дыр посредством гравитационных волн. Каждое слияние предоставляет информацию о массах участвующих черных дыр и их расстояниях от Земли.

Иллюстрация, изображающая четкие рябь на звездном коричнево-белом фоне с синей и красной точкой в центре, представляющей собой слияние двух черных дыр.

«Поскольку мы наблюдаем отдельные столкновения черных дыр, мы можем определить частоту этих столкновений во Вселенной», — говорит ведущий автор исследования Брайс Казинс из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. «На основе этих показателей мы ожидаем, что существует гораздо больше событий, которые мы не можем наблюдать, и которые называются гравитационно-волновым фоном». Этот гравитационно-волновой фон, иногда описываемый как стохастический (или случайный) сигнал, представляет собой слабый, коллективный эффект многочисленных слияний на далеких галактиках. Его общая интенсивность зависит от скорости расширения Вселенной. Более медленное расширение подразумевает больший объем Вселенной и, следовательно, большее количество слияний, вносящих вклад в фоновый сигнал.

«Это остроумная идея, — сказал Мингарелли. — Фоновый гравитационный шум — коллективное гудение слияний далёких чёрных дыр, слишком слабое для обнаружения по отдельности, — зависит от скорости расширения. Более медленное расширение означает большие объёмы, больше слияний и более громкий фон. Поэтому даже отсутствие обнаружения этого фона противоречит низким значениям постоянной Хаббла».

Используя текущие данные детекторов гравитационных волн, команда показала, что отсутствие обнаруженного фонового излучения уже исключает некоторые более низкие значения постоянной Хаббла. Хотя существующие ограничения достаточно широки, этот метод создает новую основу для космологических выводов.

Предложенный подход основан на концепции «стандартных сирен», в которых отдельные события, связанные с гравитационными волнами, выступают в качестве маркеров расстояния. Но вместо того, чтобы полагаться на отдельные яркие события, новый метод использует всю неразрешенную популяцию сталкивающихся черных дыр.

«Не каждый день удается найти совершенно новый инструмент для космологии», — объясняет соавтор исследования профессор Даниэль Хольц из Чикагского университета. «Мы показали, что, используя фоновый шум гравитационных волн от слияния черных дыр в далеких галактиках, мы можем узнать о возрасте и составе Вселенной».

«Это захватывающее и совершенно новое направление, и мы с нетерпением ждем возможности применить наши методы к будущим наборам данных, чтобы помочь уточнить постоянную Хаббла, а также другие ключевые космологические величины», — добавил Хольц.

Хотя новый метод выглядит многообещающим, Мингарелли также подчеркнул существующие ограничения. «Главное преимущество заключается в том, что это измерение почти полностью основано на гравитационных волнах — независимо от электромагнитной шкалы расстояний и космического микроволнового фона», — сказал Мингарелли. «Ограничение состоит в том, что неопределенности все еще велики, и результат зависит от предполагаемой модели популяции черных дыр. Но авторы открыто говорят об этом и показывают, что их выбор является консервативным».

В перспективе ожидается, что модернизация детекторов значительно повысит чувствительность к фоновому излучению гравитационных волн.

«Благодаря запланированной модернизации детекторов, фоновый шум должен быть обнаружен в течение нескольких лет, что превратит нижнюю границу в реальное измерение», — сказал Мингарелли.

В случае успеха этот стохастический метод «сирены» может стать мощным новым инструментом для исследования истории расширения Вселенной и для выяснения того, сигнализирует ли напряжение Хаббла о новой физике или о скрытых систематических ошибках в существующих измерениях.