Столкновения чёрных дыр могут помочь измерить скорость расширения Вселенной
Черная дыра обычно является местом, где информация исчезает, но ученые, возможно, нашли способ использовать ее последние моменты, чтобы рассказать нам об истории Вселенной. В новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, два астрофизика из Чикагского университета изложили метод использования пар сталкивающихся черных дыр, чтобы измерить, насколько быстро расширяется наша Вселенная, и, таким образом, понять, как Вселенная развивалась, из чего она состоит и куда это идет. В частности, ученые считают, что новая техника, которую они называют «спектральной сиреной», может рассказать нам о неуловимых «подростковых» годах Вселенной.
В новом исследовании два астрофизика из Чикагского университета изложили метод использования пар сталкивающихся черных дыр (показанных выше в художественном исполнении) для измерения скорости расширения нашей Вселенной. Авторы и права: Проект моделирования eXtreme Spacetimes (SXS)
Космический правитель
Главный продолжающийся научный спор заключается в том, насколько быстро расширяется Вселенная — число, называемое постоянной Хаббла. Различные методы, доступные на данный момент, дают немного разные ответы, и ученые стремятся найти альтернативные способы измерения этой скорости. Проверка точности этого числа особенно важна, потому что оно влияет на наше понимание фундаментальных вопросов, таких как возраст, история и состав Вселенной.
Новое исследование предлагает способ сделать этот расчет, используя специальные детекторы, которые улавливают космическое эхо столкновений черных дыр.
Время от времени две черные дыры сталкиваются друг с другом — событие настолько мощное, что буквально создает рябь в пространстве-времени , которая распространяется по всей Вселенной. Здесь, на Земле, американская лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) и итальянская обсерватория Virgo могут уловить эту рябь, которая называется гравитационными волнами.
За последние несколько лет LIGO и Virgo собрали показания почти 100 пар столкнувшихся черных дыр.
Сигнал от каждого столкновения содержит информацию о том, насколько массивными были черные дыры. Но сигнал путешествовал в пространстве, и за это время Вселенная расширилась, что меняет свойства сигнала. «Например, если вы возьмете черную дыру и поместите ее во Вселенной раньше, сигнал изменится, и она будет выглядеть как большая черная дыра, чем она есть на самом деле», — объяснил астрофизик из Университета Чикаго Дэниел Хольц, один из двух авторов исследования.
Если ученые смогут найти способ измерить, как изменился этот сигнал, они смогут рассчитать скорость расширения Вселенной. Проблема в калибровке: откуда они узнают, насколько она отличается от оригинала?
В своей новой статье Хольц и первый автор Хосе Мария Эскиага предполагают, что они могут использовать наши новые знания о всей популяции черных дыр в качестве калибровочного инструмента. Например, текущие данные свидетельствуют о том, что большинство обнаруженных черных дыр имеют массу от 5 до 40 раз больше массы нашего Солнца. «Итак, мы измеряем массы ближайших черных дыр и понимаем их особенности, а затем смотрим дальше и видим, насколько сместились те, что дальше», — сказал Эскиага, научный сотрудник NASA Einstein Postdoctor и научный сотрудник Института космологической физики им. Кавли, работает с Хольцем в Калифорнийском университете в Чикаго. «И это дает вам меру расширения Вселенной».
Авторы называют его методом «спектральной сирены», новым подходом к методу «стандартной сирены», который Хольц и его сотрудники впервые применили. (Название является отсылкой к методам «стандартной свечи», также используемым в астрономии.)
Ученые взволнованы, потому что в будущем, когда возможности LIGO расширятся, этот метод может открыть уникальное окно в «подростковые» годы Вселенной — около 10 миллиардов лет назад, — которые трудно изучать другими методами.
Исследователи могут использовать космический микроволновый фон, чтобы изучить самые ранние моменты существования Вселенной, и они могут осмотреть галактики рядом с нашей собственной галактикой, чтобы изучить более недавнюю историю Вселенной. Но промежуточный период труднее охватить, и это область особого научного интереса.
«Примерно в то время мы переключились с темной материи, являющейся преобладающей силой во Вселенной, на темную энергию, и мы очень заинтересованы в изучении этого критического перехода», — сказал Эскиага.
По словам авторов, еще одно преимущество этого метода заключается в том, что пробелы в наших научных знаниях создают меньше неопределенностей. «Используя всю популяцию черных дыр, метод может откалибровать себя, непосредственно выявляя и исправляя ошибки», — сказал Хольц. Другие методы, используемые для вычисления постоянной Хаббла, основаны на нашем нынешнем понимании физики звезд и галактик, которое включает в себя множество сложных физических и астрофизических вопросов. Это означает, что измерения могут быть сильно искажены, если есть что-то, чего мы еще не знаем.
В отличие от этого, этот новый метод черных дыр опирается почти исключительно на теорию гравитации Эйнштейна, которая хорошо изучена и противостоит всем способам, которыми ученые пытались ее проверить до сих пор.
Чем больше у них будет показаний со всех черных дыр, тем точнее будет эта калибровка. «Нам нужны, предпочтительно, тысячи таких сигналов, которые мы должны получить через несколько лет, а еще больше — в ближайшие десять или два десятилетия», — сказал Хольц. «На тот момент это был бы невероятно мощный метод изучения Вселенной».
