Как столкновения черных дыр помогут нам понять скорость расширения Вселенной

Информация, как правило, пропадает в черных дырах бесследно. Но есть шанс, что ученые нашли способ использовать ее последние мгновения перед исчезновением, чтобы узнать больше об истории Вселенной.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, два астрофизика из Чикагского университета разработали метод использования столкновения двух черных дыр для измерения скорости расширения нашей Вселенной — и, таким образом, понимания того, как развивалась Вселенная, из чего она состоит, и куда движется.
В частности, ученые считают, что новый метод под названием «спектральная сирена» может рассказать нам о «подростковых» годах Вселенной, которые иначе могли бы остаться загадкой.
Измерительная рулетка для космоса
Одна из главных продолжительных научных дискуссий заключается в том, насколько быстро расширяется Вселенная — значение, именуемое постоянной Хаббла. Пока что доступные методы предоставляют несколько различающиеся показатели, и ученые стремятся найти альтернативные способы ее измерения. При этом крайне важна точность данного значения, поскольку 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.
Периодически черные дыры сталкиваются друг с другом — данное событие настолько мощное, что оно буквально создает рябь в пространстве-времени, которая распространяется по всей Вселенной. Отсюда, с Земли, американская лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) и итальянская обсерватория Virgo могут улавливать эти колебания - гравитационные волны.
За последние несколько лет LIGO и Virgo собрали данные столкновений почти 100 пар черных дыр.
Сигнал от каждого столкновения содержит информацию о том, насколько массивными были черные дыры. Но за то время, пока данный сигнал шел в пространстве, Вселенная расширилась, и этот фактор меняет свойства сигнала.
— К примеру, если черную дыру поместить раньше во Вселенной, то данный сигнал изменится и передаст ее размеры больше, чем она есть на самом деле, — объяснил астрофизик из Калифорнийского университета Дэниел Хольц, один из авторов статьи.
Если ученые смогут найти способ измерить, как изменился этот сигнал, они смогут рассчитать скорость расширения Вселенной. Проблема заключается в калибровке: как узнать, насколько он изменился по сравнению с оригиналом?
В своей новой статье Хольц и его соавтор Хосе Мария Эскиага предполагают, что в качестве инструмента калибровки они могут использовать новообретенные знания обо всей популяции черных дыр. Например, современные данные свидетельствуют о том, что масса большинства обнаруженных черных дыр превышает массу нашего солнца в 5-40 раз .
— Мы изучаем массы близлежащих черных дыр и их особенности, а затем рассматриваем, насколько сместились те, что находятся дальше, — пояснил Эскиага, постдокторант НАСА и сотрудник Института космологической физики Кавли, работающий с Хольцем в Чикагском Университете. — Таким образом, мы определяем расширение Вселенной.
Авторы называют это методом «спектральной сирены», новым подходом к методу «стандартной сирены», которое разработал с коллегами Дэниел Хольц. (Название является отсылкой к методу «стандартной свечи», также используемым в астрономии.)
Событие вдохновляющее, потому что в будущем, по мере расширения возможностей LIGO, этот подход может пролить свет на «подростковые» годы Вселенной — около 10 миллиардов лет назад — которые трудно изучить другими методами.
Исследователи могут с помощью реликтового излучения взглянуть на самые ранние моменты Вселенной, а её более позднюю историю узнать благодаря изучению галактик вблизи нашей собственной. Но промежуточный период труднее охватить, и это область особого научного интереса.
— Мы как раз перевели фокус от темной материи как преобладающей силы во Вселенной в сторону темной энергии, и мы очень заинтересованы в изучении этого значительного перехода, — поделился Эскиага.
Другим преимуществом этого метода, по словам авторов, является то, что текущие пробелы в наших научных знаниях будут причиной меньшего количества неопределенностей.
— Используя всю популяцию черных дыр, метод может сам себя калибровать, непосредственно выявляя и исправляя ошибки, — объяснил Д. Хольц. Другие методы, используемые для вычисления постоянной Хаббла, основаны на нашем современном понимании звезд и галактик, которое включает в себя множество сложных аспектов физики и астрофизики. А значит, измерения могут быть немного искажены в случае, если мы чего-то еще не знаем.
Данный же новый метод исследования черных дыр почти полностью основан на теории гравитации Эйнштейна, а она тщательно изучена и выдержала неоднократные и безуспешные попытки опровержения.
Чем больше данных получится собрать обо всех черных дырах, тем точнее будет эта калибровка.
— Оптимально будет получить тысячи таких сигналов, что осуществимо за ближайшие несколько лет, и даже больше выйдет за предстоящее десятилетие или два, — делится Д.Хольц. — К тому моменту мы добьемся невероятно мощного метода изучения Вселенной.....