Міжнародна група науковців, яку очолювали дослідники з Галісійського інституту фізики високих енергій (Galician Institute of High Energy Physics, IGFAE) та Центру передового досвіду ARC для відкриття гравітаційних хвиль (ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery, OzGrav), запропонувала новий простий метод, щоб за допомогою одного спостереження за парою нейтронних зір, що зливаються, отримати точність вимірювань сталої Габбла до 2%. Результати дослідження оприлюднив Astrophysical Journal Letters.
Всесвіт розширюється. Через це далекі об’єкти, такі як галактики, віддаляються від нас. Насправді, що далі вони містяться, то швидше вони рухаються. Науковці описують це розширення відомим параметром, який називають стала Габбла. Її значення характеризує швидкість віддалення об’єктів від спостерігача залежно від їхньої відстані до нього. Маючи точні вимірювання сталої Габбла, астрономи можуть також визначити деякі найфундаментальніші властивості Всесвіту, зокрема його вік.
Протягом десятиліть астрономи вимірювали значення сталої Габла все точніше, реєструючи електромагнітне випромінювання у Всесвіті, але отримували неоднозначний результат: два найкращі поточні вимірювання дають суперечливі результати. З 2015 року науковці намагаються вирішити цю проблему за допомогою даних про гравітаційні хвилі, тобто брижі в «тканині» простору-часу, які рухаються зі швидкістю світла. Гравітаційні хвилі виникають у процесі високоенергетичних космічних подій і забезпечують новий канал інформації про Всесвіт. Одне із джерел таких хвиль — зіткнення і злиття двох нейтронних зір, що виникають внаслідок стиснення ядер масивних зір на завершальному етапі їхньої еволюції. Процеси злиття нейтронних зір можуть допомогти науковцям глибше проникнути в таємницю сталої Габбла.
На відміну від чорних дір, нейтронні зорі у процесі злиття, генерують як гравітаційні, так і електромагнітні хвилі, зокрема рентгенівські, радіохвилі та видиме світло. Завдяки гравітаційним хвилям можна вимірювати відстань між місцем злиття нейтронних зір і Землею. Водночас електромагнітні хвилі дають змогу вимірювати, як швидко вся галактика віддаляється від Землі. Це забезпечує новий спосіб вимірювання сталої Габбла. Однак за допомогою гравітаційних хвиль досі складно точно виміряти відстань до точки злиття нейтронних зір ― саме тому поточні вимірювання сталої Габбла на основі даних про гравітаційні хвилі мають похибку ~ 16%. Це набагато більше, ніж наявні вимірювання з використанням інших традиційних методів.
Професор Хуан Кальдерон Бустілло (Calderón Bustillo) з Галісійського інституту фізики високих енергій (Університет Сантьяго-де-Компостела, Іспанія) сказав, що важко зрозуміти, як далеко відбуваються злиття нейтронних зір, бо «нині ми не можемо сказати, чи міститься подвійна система дуже далеко і обернена до Землі, чи набагато ближче, якщо лежить в орбітальній площині Землі». Щоб визначитися між цими двома сценаріями, науковці вирішили вивчити вторинні, набагато слабші, компоненти сигналу гравітаційної хвилі, що спричинена злиттям нейтронних зір, відомі як вищі моди.
«Так само, як оркестр грає на різних інструментах, злиття нейтронних зір спричиняє появу гравітаційних хвиль різних мод», — пояснив професор Кальдерон Бустілло. «Коли нейтронні зорі, що зливаються, обернені до вас, ви почуєте звучання лише найголоснішого інструмента. Однак, якщо ви перебуваєте близько до орбітальної площини в якій відбувається злиття, ви маєте почути і якісь другорядні. Це дає нам змогу визначити кут нахилу орбіти нейтронних зір, що зливаються, і точніше виміряти відстань».
Метод не абсолютно новий: «Ми знаємо, що він добре працює у випадку злиттів дуже масивних чорних дір, бо нинішні детектори можуть реєструвати момент злиття, коли вищі моди найбільш помітні. Але у випадку нейтронних зір, висота сигналу злиття настільки висока, що нашідетектори не можуть це записати. Ми можемо реєструвати лише той сигнал, що виник ще до злиття», ― зауважив професор Кальдерон Бустілло.
Майбутні детектори гравітаційних хвиль, зокрема запронований австралійський проєкт NEMO, зможуть отримати доступ до фактичної стадії злиття нейтронних зір. «Коли дві нейтронні зорі зливаються, ядерна фізика, що описує їх речовину, ймовірно надасть дуже важливі сигнали, які, якщо їх виявити, можуть дозволити нам точно знати, де міститься Земля щодо орбітальної площини злиття», — сказав співавтор дослідження, головний науковець OzGrav, доктор Пол Ласкі (Paul Lasky) з університету Монаша. Доктор Ласкі також є одним із головних учасників проєкту NEMO. «Такий детектор, як NEMO, може виявляти такі сигнали», ― додав він.
У процесі дослідження наукова група виконала комп’ютерне моделювання злиття нейтронних зір, яке може показати вплив процесів на рівні ядерної фізики зір на гравітаційні хвилі. Аналізуючи ці моделювання, дослідники з’ясували, що такий детектор, як NEMO, може вимірювати сталу Габбла з точністю до 2%.
Співавтор дослідження професор Тім Дітріх (Tim Dietrich) з Потсдамського університету сказав: «Ми виявили, що дрібні деталі, які описують поведінку нейтронів всередині зорі, створюють тонкі сліди в гравітаційних хвилях, які можуть суттєво допомогти визначити швидкість розширення Всесвіту. Дивовижно усвідомити, що ефекти в масштабі ядра атома можуть дати змогу зробити висновок про те, що відбувається в найбільшому з можливих масштабів, тобто в космологічному».
Самсон Леон (Samson Leong), випускник Китайського університету Гонконгу та співавтор дослідження, зазначив: «Однією з найцікавіших речей нашого результату є те, що ми досягли такого значного покращення, розглядаючи досить консервативний сценарій. Хоча NEMO справді буде чутливим до випромінювання злиттів нейтронних зір, більш розвинені детектори, такі як Телескоп Айнштайна (Einstein Telescope) чи Космічний дослідник (Cosmic Explorer), будуть ще чутливішими, що дасть змогу виміряти розширення Всесвіту з ще кращою точністю!».
Один з найвидатніших наслідків цього дослідження полягає в тому, що воно може визначити, чи розширюється Всесвіт у просторі рівномірно, як нині передбачають наукові теорії. «Попередні методи досягнення такого рівня точності спиралися на поєднання багатьох спостережень, припускаючи, що стала Габбла однакова в усіх напрямках та протягом всієї історії Всесвіту», — сказав Кальдерон Бустілло. «У нашому випадку кожна окрема подія дала б дуже точну оцінку її власної сталої Габбла, що уможливило б перевірити, чи це справді стала, чи вона змінюється в просторі та часі».
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
