ХХ век подарил миру множество удивительных открытий: в 1916 году знаменитый на весь мир физик по имени Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО); затем, в 1927 году астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики удаляются от Земли (и друг от друга) со все возрастающей скоростью; в последующие десятилетия такие выдающиеся умы как Нильс Бор, Макс Планк, Луи де Бройль, Вернер Гейзенберг и другие трудились над созданием квантовой теории. Сегодня их труд лежит в основе наших знаний о Вселенной – мы знаем, что она родилась 13,8 миллиардов лет назад и с тех пор расширяется с ускорением. Вот только причина, по которой Вселенная становится все больше и больше, остается загадкой и ученые не могут прийти к единому мнению о том, почему. Это, во многом, связано с различными способами измерения постоянной Хаббла (фундаментального параметра, описывающего расширение Вселенной), которые показывают разные результаты. Но недавно ученые предложили новый способ, потенциально способный разрешить кризис космологии. О нем поговорим в этой статье.

Команда ученых предложила новый способ для разрешения кризиса в космологии – с помощью гравитационных волн.

Черные дыры и гравитационные волны

Зимой 2016 года ученые объявили об открытии гравитационных волн – ряби в пространстве-времени, вызванной столкновением массивных черных дыр. Их существование впервые было предсказано теорий относительности Эйнштейна в 1916 году, а в 2017 отмечено Нобелевской премии по физике. По сути, гравитационные волны представляют бегущую деформацию абсолютной пустоты – это изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. При прохождении гравитационной волны между двумя телами расстояние между ними изменяется.

Открытие гравитационных волн также подтверждает существование черных дыр – массивных объектов, гравитационное притяжение которых настолько велико, что покинуть их не могут даже кванты самого света. Граница, что отделяет черную дыру от остального космоса, называется горизонтом событий. Его в 2019 году ученым удалось сфотографировать, подробнее об этом открытии читайте в материале моего коллеги Ильи Хеля.

Столкновение двух черных дыр – причина возникновения гравитационных волн (в представлении художника).

Так как детектирование волн подтверждает смелые гипотезы о том, как устроена наша Вселенная, многие ученые назвали их открытие началом новой эры астрономии. Теперь же ученые считают, что с их помощью можно разрешить кризис современной космологии.

Новый подходя измерения постоянной Хаббла

В 1929 году, спустя два года после своего открытия, Эдвин Хаббл рассчитал скорость, с которой наша Вселенная расширяется – постоянную Хаббла. Вот только в последующие годы каждый новый способ ее измерения показывал новые, не согласующиеся друг с другом результаты. Интересно, что сегодня существуют два основных способа ее измерения, с той лишь разницей, что что один набор методов рассматривает относительно близкие объекты во Вселенной, а другой – очень отдаленные. Но каким бы методом ученые не воспользовались, результаты получаются разные.

Несоответствие постоянной Хаббла спровоцировало кризис современной космологии и легло в основу споров между учеными: либо они делают что-то не так, либо где-то на просторах Вселенной происходит нечто неведомое.

Недавно команда исследователей из Университета Пенсильвании предложила использовать для разрешения постоянной Хаббла гравитационные волны. Дело в том, что когда массивные объекты, например черные дыры или нейтронные звезды (которые не видно с помощью оптических телескопов), сталкиваются друг с другом, они деформируют ткань пространства-времени, создавая гравитационные волны.

С 2015 года американская лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) и ее европейский аналог Virgo прослушивают космос на предмет подобных «аварий», которые звенят в их детекторах, словно колокольчики.

«Гравитационные волны могут дать вам другое представление о постоянной Хаббла», – сказал в интервью Live Science Ссохраб Борханян, физик из Университета Пенсильвании.

В зависимости от расстояния от Земли столкновения черных дыр будут звучать громче или тише для LIGO, что позволит ученым вычислить, как далеко находятся эти объекты. В некоторых случаях столкновение космических монстров также приводит к вспышке света, которую астрономы могут уловить с помощью телескопов.

До сих пор исследователи наблюдали только одно такое событие с гравитационными волнами и одно со световыми сигналами – пару нейтронных звезд, которые астрономы наблюдали в 2017 году. Исходя из полученных данных, физики вычислили значение постоянной Хаббла. Предыдущие исследования показали, что космологам нужно было бы наблюдать около 50 подобных событий, чтобы получить более точный расчет постоянной Хаббла.

Но эти космические аварии происходят не так часто и к тому же не связаны со вспышками света, которые содержат важнейшую информацию о скорости. Эти события, невидимые за исключением гравитационных волн, являются наиболее распространенными сигналами, получаемыми LIGO и другими гравитационно-волновыми установками.

Выход из кризиса

В течение следующих пяти лет детекторы LIGO, как ожидается, получат обновления, которые позволят им распаковать гораздо больше деталей сигналов гравитационных волн и уловить гораздо больше событий, включая больше столкновений черных дыр. К американским и европейским установкам недавно присоединился детектор гравитационных волн Kamioka (KAGRA) в Японии, а индийский детектор должен появиться в сети примерно в 2024 году.

Рябь в пространстве-времени, вызванная столкновением массивных объектов.

По мнению авторов нового исследования, опубликованного в журнале Bulletin of the American Physical Society, в будущем детекторы смогут определять где в космосе произошло столкновение в 400 раз лучше, чем сегодня. С помощью этой информации астрономы надеются идентифицировать точное местоположение галактики, где произошло столкновение, а затем определить, насколько быстро эта галактика удаляется от Земли. Также не будет необходимости искать соответствующую вспышку света.

В своей работе ученые показали, что столкновения между массивными объектами будут особенно насыщены информацией, производя данные, с помощью которых можно вычислить постоянную Хаббла с высокой точностью. Полученные результаты также предполагают, что в будущем гравитационные детекторы будут лучше и точнее улавливать поступающие сигналы. И все же, возможность того, что другие измерения помогут разрешить кризис постоянной Хаббла раньше, исключать не стоит.