Астрономы используют слияние нейтронных звезд для измерения космического расширения

На протяжении почти ста лет ученые подтверждают, что наша Вселенная постоянно расширяется. Этот закон, известный как постоянная Хаббла-Леметра, назван в честь астрономов, которые его открыли, и является основополагающим для наших космологических моделей. Тем не менее, скорость расширения Вселенной многократно пересматривалась за прошедший век, так как астрономы изучали более удаленные уголки космоса и углублялись в прошлое. Знание этой скорости крайне важно для ученых, так как оно помогает понять, как началась Вселенная и какова будет ее конечная судьба.

Это также поможет разрешить крупные космологические загадки, такие как существование темной материи и темной энергии. В недавнем исследовании международная команда под руководством ученых из Университета Свинберна (SUT) и Австралийской организации научных и прикладных исследований (CSIRO) наблюдала за последствиями столкновения двух нейтронных звезд. Объединив данные телескопов и гравитационных волн, они получили новые измерения постоянной Хаббла-Леметра.

Команда включала исследователей из Центра астрофизики и суперкомпьютерных технологий Университета Свинберна, Центра передового опыта по открытию гравитационных волн (OzGrav), Тель-Авивского университета, Университета Квинсленда, Индийского института технологий Канпур (IIT Kanpur) и Калифорнийского технологического института (Caltech). Статья с описанием их находок недавно была опубликована в журнале The Astrophysical Journal.

The three steps astronomers used to measure the Universe’s expansion rate, known as the Cosmic Distance Ladder. Credit: NASA/ESA/A. Feild (STScI)/A. Riess (STScI/JHU)

Для измерения космического расширения ученые полагаются на данные о расстояниях до галактик, относящихся к ранней Вселенной. Это требует применения различных методов в зависимости от удаленности объектов, что называется Космической лестницей расстояний. Проблема заключается в том, что измерения находятся в "напряжении" друг с другом, что приводит к постоянным спорам среди космологов, известным как "напряжение Хаббла".

Чтобы объяснить, первые и вторые "ступени" лестницы включают использование параллакса ближайших звезд и "стандартных свечей" (переменные цефеиды и сверхновые типа Ia) для измерения расстояний до объектов на расстоянии десятков миллионов световых лет. Благодаря знаменитому Телескопу Хаббла, астрономы вычислили скорость расширения на уровне 252,000 км/ч (156,585.5 миль/ч) на мегапарсек (Mpc) — примерно 3.262 миллиона световых лет.

Последняя ступень включает использование измерений красного смещения космического микроволнового фона (CMB) для калибровки расстояний, охватывающих миллиарды световых лет. Картирование этого фона с помощью спутника Планк Европейского космического агентства дало оценку около 244,000 км/ч на мегапарсек (или около 269 км/с на световой год). Доктор Келли Гурджи из CSIRO, главный автор статьи, объяснила в пресс-релизе SUT:

Один метод использует данные из очень ранней Вселенной — космическое микроволновое фоновое излучение — для проведения измерений, в то время как другой использует данные относительно близких сверхновых, что делает его данными из поздней Вселенной. Наше независимое измерение с использованием гравитационных волн — это метод поздней Вселенной, но результат более согласуется с значением ранней Вселенной.

Из этого "напряжения" вытекают только две возможности: либо одно из измерений неверно, что становится более вероятным по мере продвижения по ступеням, либо наше понимание физики ошибочно. Объединив данные из Сети высокой чувствительности (HSA), глобальной сети телескопов, астрометрию с Хаббла и данные о гравитационных волнах, команда, возглавляемая Свинберном и CSIRO, смогла предоставить новое измерение, которое может помочь разрешить напряжение Хаббла. Столкновение было настолько мощным, что оно также отправило в космос струи энергетических частиц, наблюдения за которыми были ключевыми для проведения измерений.

Artist's impression of a binary neutron star merger, or kilonova event. Credit: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.

Новое значение, полученное из этих наблюдений, не было столь точным, как более устоявшиеся измерения. Тем не менее, оно более точно, чем предыдущие попытки, основанные на гравитационных волнах — это наиболее убедительное доказательство на сегодняшний день, что измерения гравитационных волн могут помочь разрешить напряжение. Профессор Адам Деллер из Свинберна, который возглавлял радионаблюдения, использованные в исследовании, отметил:

Эти струи выбрасываются всего на несколько секунд, но, когда они сталкиваются с окружающим газом, они светятся в течение месяцев после этого. Мы проанализировали почти год наблюдений с Телескопа Хаббла и двух различных массивов радиотелескопов, расположенных по всей территории США и Европы. Некоторые астрономы предлагали способы, при которых оба измерения могли бы быть правильными, если бы наше понимание космологии изменилось — но наше измерение довольно сильно опровергает такое решение.

"Это будет означать, что с нашим пониманием космологии ничего не так, хотя нам нужно будет изучить больше слияний нейтронных звезд, чтобы быть уверенными," добавила главный автор доктор Келли Гурджи, исследователь CSIRO и OzGrav. "На данный момент этот результат добавляет еще одну точку данных для космологов в активные дебаты о напряжении Хаббла."

Дополнительные материалы: Университет Свинберна, The Astrophysical Journal