Американські астрофізики запропонували вимірювати постійну Хаббла за допомогою гравітаційних хвиль, які народжуються при злиттях подвійних систем нейтронних зірок або чорних дір. За оцінками вчених, для вимірювання з похибкою близько двох відсотків потрібно всього п'ять років спостережень модернізованих обсерваторій LIGO/Virgo, а протягом 10 років похибка може бути зменшена до одного відсотка. Стаття опублікована в і знаходиться у вільному доступі.
Одна з найбільших проблем сучасної космології - це розбіжність між значеннями постійної Хаббла, отриманими двома незалежними способами. Постійна Хаббла - це величина, яка описує швидкість розширення Всесвіту: чим далі від нас знаходиться галактика, тим швидше вона від нас «тікає», а коефіцієнтом пропорційності виступає постійна H0. Тому найочевидніший спосіб виміряти постійну Хаббла - оцінити швидкість галактики за її червоним зміщенням (зрозуміло, з поправкою на космологічне червоне зміщення), розрахувати незалежним способом відстань до галактики, а потім поділити дві величини. Докладніше про вимірювання відстаней у космосі можна прочитати в матеріалі «Зірка з зіркою говорить». Такий спосіб дає значення постійній Хаббла H0 73 2 кілометри на секунду на мегапарсек.
З іншого боку, розширення Всесвіту «розтягує» неоднорідності реліктового випромінювання, що виникли через квантові флуктуації на ранніх етапах життя Всесвіту, і за величиною цих неоднорідностей теж можна оцінити постійну Хаббла. Останні спостереження супутника Planck, який спостерігав за реліктовим випромінюванням у 2009-2013 роках, призводять до значення H0 67,6 0,6 кілометри на секунду на мегапарсек. Таким чином, розбіжність між двома значеннями однієї постійної досягає трьох стандартних відхилень (3), а тому їх не можна списати на статистичну похибку. Вчені намагалися пояснити цю невідповідність різними систематичними ефектами, проте їхні спроби ні до чого не призвели. Тому астрономи намагаються виміряти постійну Хаббла незалежним способом, щоб отримати більше інформації про розширення Всесвіту і знайти причини, через які спостереження призводять до різних результатів.
Група вчених під керівництвом Даніеля Гольца (Daniel Holz) запропонувала вимірювати постійну Хаббла за допомогою гравітаційних хвиль, які народжуються при злитті систем двох нейтронних зірок. Більшість таких подій повинні супроводжуватися гамма-сплеском. Відстань системи та її положення на небесній сфері можна розрахувати за допомогою гравітаційних хвиль, спійманих обсерваторіями на різних кінцях Землі, а за гамма-сплеску можна оцінити червоне зміщення системи. Вперше такий «подвійний» сигнал вчені зареєстрували в серпні минулого року (GW170817), і відповідні розрахунки призвели до значення H0-70-10 кілометрів на секунду на мегапарсек. Таким чином, похибка окремого виміру становить приблизно 15 відсотків, однак з плином часу вона повинна зменшуватися назад пропорційно кореню з числа вимірювань: ΔH0 ~ 0,15/√. При числі ауд 50 похибка вимірювань буде приблизно дорівнювати двом відсоткам, а при ауд 200 зменшиться до одного відсотка. Така поведінка обумовлена тим, що при великому числі експериментальних даних (> 20) експериментально вимірені значення H0 будуть вибудовуватися вздовж розподілу Гаусса, хоча апостеріорний розподіл ймовірності цієї величини помітно від нього відхиляється.
Крім того, вчені оцінили, за який проміжок часу похибка вимірювань за допомогою гравітаційних хвиль зрівняється з «традиційними» вимірами, тобто досягне двох відсотків. Єдиний вимір дозволяє припустити, що в середньому частота таких подій становить 1,5 1,2 події на рік на кубічний гігапарсек. Після модернізації «O3 HLV», яку група LIGO/Virgo планує закінчити в 2019 році, детектори зможуть «переглядати» космос на глибину близько ста мегапарсек, тобто в середньому будуть реєструвати близько п'яти подій на рік. Коли ж дальність детекторів досягне двохсот мегапарсек - організація планує, що це станеться вже до 2023 року, - частота зросте до 30 подій на рік. Таким чином, протягом п'яти найближчих років вчені повинні зареєструвати близько ста злиттів нейтронних зірок, які супроводжуються гравітаційними хвилями, а похибка вимірювань постійної Хаббла досягне двох відсотків. Втім, на практиці частота подій може виявитися в кілька разів нижчою, і тоді вимірювання розтягнуться на набагато більший час.
Крім того, дослідники запропонували ще один спосіб вимірювання постійної Хаббла, заснований на злиттях подвійних чорних дір. На відміну від нейтронних зірок, такі системи не випромінюють електромагнітні хвилі, а тому оцінити їх червоне зміщення безпосередньо неможливо. Тим не менш, це можна зробити побічно, «підганяючи» розподіл чорних дір під відомий розподіл галактик. На жаль, маса чорних діри може у багато разів перевищувати масу нейтронних зірок, а похибка визначення їх координат на небесній сфері досить висока, тому пов'язати ці розподілу досить складно. Через це похибка постійної Хаббла повільно зменшується зі зростанням числа подій. За оцінками вчених, до 2026 року цей метод дозволить отримати відносну похибку не краще 10 відсотків. Проте в майбутньому він теж може стати в нагоді.
Варто зауважити, що цього року ми вже писали про вимірювання постійної Хаббла за допомогою гравітаційних хвиль, а тому може здатися, що група Даніеля Гольца «вкрала» більш ранню роботу. Зрозуміло, насправді це не так. Незважаючи на те, що робота групи Даніеля Гольца була опублікована в тільки минулого тижня, вчені виклали її препринт ще в грудні минулого року. З іншого боку, робота групи Тарун Сайні (Tarun Deep Saini) опублікована в липні 2018 (раніше майже на три місяці), але її препринт з'явився тільки в квітні. Більш того, ця робота розвиває ідею групи Гольца про вимірювання постійної Хаббла за допомогою статистичного аналізу гравітаційних хвиль, що народжуються при злитті чорних дір - рання стаття вказує на таку можливість і якісно оцінює час, який знадобиться на зменшення похибки вимірювань до прийнятної величини, проте не проводить кількісний аналіз. Група Сайні досліджує цю можливість набагато докладніше. Проте, першість в цьому питанні швидше належить групі Гольца.
Хоча група LIGO зареєструвала перші гравітаційні хвилі всього три роки тому, фізики активно використовують новий канал спостережень за Всесвітом. Наприклад, у лютому цього року американські фізики підтвердили чотиримірність нашого простору-часу і встановили нижні межі на час життя гравітона, порівнюючи відстань до далеких об'єктів, вимірену за червоним зміщенням і за швидкістю загасання гравітаційних хвиль. У липні минулого року вчені з США і Швейцарії оцінили швидкість гравітаційних хвиль по всього трьох вимірювань групи LIGO/Virgo, доступних на той момент. Щоправда, всього через кілька місяців гравітаційні обсерваторії зареєстрували гравітаційні хвилі від спалаху кілонової, які наклали набагато суворіші обмеження на цю швидкість. Крім того, теоретично за допомогою гравітаційних детекторів можна шукати первинні чорні діри та екзотичні компактні об'єкти.
Детальніше прочитати про перспективи гравітаційної астрономії можна в матеріалах "За хвилею хвиля" та "2017: Народження багатоканальної астрономії ".