Столкновение черных дыр может отразить скорость расширения Вселенной

Ученые, возможно, нашли способ использовать столкновения черных дыр, чтобы измерить скорость, с которой Вселенная расширяется и решить некоторые загадки, связанные с темной энергией, таинственной силой, которая вызывает ускоренное космическое расширение. Жестокие слияния черных дыр вызывают рябь в пространстве-времени, называемую гравитационными волнами, и новый метод измеряет изменения в этих сигналах, которые происходят, когда они испытывают расширение Вселенной на собственном опыте.

С конца 1990-х годов астрономы поняли, что космос расширяется с ускорением, и они называют скорость этого расширения постоянной Хаббла. Но когда ученые вычисляют постоянную Хаббла на основе наблюдений за Вселенной и современных теорий, они получают совершенно разные значения.

Поэтому ученые надеются использовать космические столкновения между плотными парами черных дыр в качестве того, что команда называет «спектральными сиренами», чтобы обеспечить альтернативный метод измерения постоянной Хаббла. Наконец, решение этой насущной космологической проблемы могло бы более подробно раскрыть, как Вселенная развивалась и как она выглядела в первые годы своего существования.

В частности, лучшее понимание эволюции Вселенной могло бы помочь космологам решить некоторые ключевые загадки о темной энергии. Темная энергия составляет около 68% материи и энергии Вселенной, и ученые хотят определить, когда эта таинственная сила начала править над материей и почему произошло это переключение.

В основе метода спектральной сирены лежат гравитационные волны — рябь в самой ткани пространства и времени, — которые запускаются мощными космическими событиями, такими как столкновение и слияние массивных компактных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры.

На Земле невероятно чувствительные лазерные интерферометры, такие как лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), итальянская обсерватория Virgo и японский детектор гравитационных волн Kamioka (KAGRA), могут измерять эти слабые сигналы гравитационных волн.

С момента первого обнаружения гравитационных волн в сентябре 2015 года LIGO и ее партнерские инструменты собрали данные примерно о 100 отдаленных слияниях. Каждое обнаружение дает ученым подсказку о размере черных дыр, участвующих в слиянии.

Например, эта первая гравитационная волна обнаружение произошло в результате столкновения двух черных дыр, масса каждой из которых примерно в 30 раз превышает массу Солнца. Новый спектральный метод сирены предполагает, что сигналы гравитационных волн могут кодировать и другую информацию, в частности, поскольку эти пульсации в пространстве-времени проходят через огромные расстояния и в течение длительного времени, чтобы достичь Земли, свойства их сигналов изменяются при расширении Вселенной.

«Например, если вы возьмете черную дыру и поместите ее на более раннее место во Вселенной, сигнал изменится, и она будет выглядеть как большая черная дыра, чем она есть на самом деле», — сказал соавтор исследования и астрофизик из Чикагского университета Дэниел Хольц.

Чтобы разблокировать информацию о скорости расширения Вселенной, закодированную в данных гравитационных волн, ученым необходимо знать, как изменился сигнал с тех пор, как он был запущен через космос. Хольц и его коллеги считают, что недавно обнаруженная популяция локальных черных дыр могла использоваться в качестве инструмента для оценки этих изменений.

«Итак, мы измеряем массы ближайших черных дыр и понимаем их особенности, а затем смотрим дальше и видим, насколько сильно сместились те, что дальше», — Хосе Мария Эскиага, соавтор и астрофизик из Университета Нью-Йорка. Чикаго, говорится в заявлении, «И это дает вам меру расширения Вселенной».

Поскольку гравитационным волнам, как и свету, требуется время, чтобы добраться от источника до Земли, обнаружение этой ряби от более отдаленных слияний черных дыр позволяет ученым оглянуться назад во времени, сигналов гравитационных волн от более отдаленных событий, исследователи, возможно, однажды смогут наблюдать столкновения, которые произошли 10 миллиардов лет назад — примерно через 3,8 миллиарда лет после Большого взрыва.

«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.

Эскиага и Хольц говорят, что метод спектральной сирены для измерения постоянной Хаббла может иметь преимущества перед другими методами, такими как измерение изменения частоты света от далеких сверхновых или взрывающихся звезд (эти подходы зависят от понимания физики звезд и галактик) и таким образом, сложная физика и астрофизика.)

Этот новый метод, однако, зависит лишь от хорошо зарекомендовавшей себя модели гравитации Эйнштейна — общей теории относительности — и использует локальные черные дыры в качестве встроенного инструмента калибровки. столкновение черных дыр.

«Нам нужны тысячи таких сигналов, которые мы должны получить через несколько лет, а еще больше — в ближайшие десять или два десятилетия, — заключил Хольц, — В тот момент это был бы невероятно мощный метод изучения Вселенной. «