Гравитационные волны и Вселенная

Могут ли гравитационные волны показать, насколько быстро наша Вселенная расширяется?

Гравитационные волны. С тех пор, как Вселенная впервые начала существовать 13,8 миллиарда лет назад, Вселенная расширялась, унося вместе с собой сотни миллиардов галактик и звезд, как изюм в быстро растущем тесте.

вселенная

Астрономы направили телескопы к определенным звездам и другим космическим источникам, чтобы измерить их расстояние от Земли и как быстро они удаляются от нас—два параметра, которые необходимы для оценки константы Хаббла, единицы измерения, которая описывает скорость, с которой расширяется Вселенная.

Но на сегодняшний день, самые точные усилия приземлились на очень разные ценности константы Хаббла, не предлагая никакого окончательного решения, чтобы точно, как быстро Вселенная растет. Эта информация, по мнению ученых, может пролить свет на происхождение Вселенной, а также ее судьбу, и будет ли космос расширяться бесконечно или в конечном счете рухнет.

Теперь ученые из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета предложили более точный и независимый способ измерения постоянной Хаббла, используя гравитационные волны , испускаемые сравнительно редкая система: черная дыра-нейтронная звезда, двоичный, чрезвычайно энергичный сопряжения спирали черная дыра и нейтронная звезда. По мере того, как эти объекты кружатся друг к другу, они должны создавать космически дрожащие гравитационные волны и вспышку света, когда они в конечном счете сталкиваются.

В документе, который будет опубликован 12 июля, исследователи сообщают, что вспышка света, дают ученым оценку системы по скорости, или как быстро она отдаляется от Земли. Излучаемые гравитационные волны, если они обнаружены на Земле, должны обеспечивать независимое и точное измерение расстояния системы. Несмотря на то, что черные дыры-нейтронные Звездные двоичные являются невероятно редкими, исследователи подсчитывают, что обнаружение даже нескольких должно дать наиболее точное значение для константы Хаббла и скорости расширяющейся Вселенной.

«Черные дыры-нейтронные Звездные двоичные-это очень сложные системы, о которых мы знаем очень мало», — говорит Сальваторе Витале, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института и ведущий автор статьи. «Если мы его обнаружим, то награда в том, что они потенциально могут внести драматический вклад в наше понимание Вселенной.»

Соавтор витале-Синь-Ю Чэнь из Гарварда.

Конкурирующие Константы

Недавно были проведены два независимых измерения константы Хаббла: одно с использованием космического телескопа Хаббла НАСА и другое с использованием спутника Planck Европейского космического агентства. Измерение в космическом телескопе Хаббла основано на наблюдениях типа звезды, известной как cepheid, а также на наблюдениях сверхновых. Оба этих объекта считаются «стандартными свечами» для их предсказуемой картины яркости, которую ученые могут использовать для оценки расстояния и скорости звезды.

Другой тип оценки основан на наблюдениях флуктуаций в космическом микроволновом фоне-электромагнитном излучении, которое осталось сразу после большого взрыва, когда Вселенная еще была в зачаточном состоянии. В то время как наблюдения обоих зондов чрезвычайно точны, их оценки константы Хаббла значительно расходятся.

«Именно здесь в игру вступает LIGO, — говорит Витале.

Ligo, или лазерный Интерферометр Гравитационно-волновой обсерватории, обнаруживает гравитационные волны-рябь в желе пространства-времени, производимые катаклизмических астрофизических явлений.

«Гравитационные волны обеспечивают очень прямой и простой способ измерения расстояний их источников, — говорит Витале. «То, что мы обнаруживаем с LIGO, является прямым отпечатком расстояния до источника, без какого-либо дополнительного анализа.»

В 2017 году ученые получили первый шанс оценить константу Хаббла из гравитационно-волнового источника, когда ЛИГО и его итальянская коллега Дева впервые обнаружили пару встречных нейтронных звезд. При столкновении выбрасывается огромное количество гравитационных волн, которые исследователи измеряют, чтобы определить расстояние системы от Земли. Слияние также выпустило вспышку света, на которой астрономы сосредоточились с помощью наземного и космического телескопов, чтобы определить скорость системы.

С помощью обоих измерений ученые рассчитали новое значение для константы Хаббла. Тем не менее, оценка пришла с относительно большой неопределенностью в 14 процентов, гораздо более неопределенной, чем значения, рассчитанные с помощью космического телескопа Хаббла и спутника планка.

Витале говорит, что большая часть неопределенности связана с тем, что трудно интерпретировать расстояние нейтронной звезды от Земли, используя гравитационные волны, которые дает эта система.

«Мы измеряем расстояние, глядя на то, насколько «громко» гравитационная волна, что означает, насколько ясно это в наших данных», — говорит Витале. «Если это очень ясно, вы можете видеть, как громко, и это дает расстояние. Но это только частично верно для нейтронных звездных двоичных файлов.»

Это потому, что эти системы, которые создают кружащийся диск энергии, когда две нейтронные звезды вращаются друг к другу, излучают гравитационные волны неравномерно. Большинство гравитационных волн стреляют прямо из центра диска, в то время как гораздо меньшая часть убегает из краев. Если ученые обнаружат» громкий » гравитационный волновой сигнал, это может указывать на один из двух сценариев: обнаруженные волны, вытекающие из края системы, которая очень близка к земле, или волны, исходящие из центра гораздо более дальней системы.

«С нейтронными звездами очень трудно различать эти две ситуации», — говорит Витале.

Новая волна

В 2014 году, прежде чем ЛИГО впервые обнаружил гравитационные волны, Витале и его коллеги заметили, что двоичная система, состоящая из черной дыры и нейтронной звезды, может дать более точное измерение расстояния по сравнению с нейтронными звездами. Команда изучала, насколько точно можно измерить вращение черной дыры, учитывая, что объекты, как известно, вращаются на своих осях, подобно Земле, но гораздо быстрее.

Исследователи моделировали различные системы с черными дырами,включая черные дыры-нейтронные Звездные двоичные и нейтронные Звездные двоичные. В качестве побочного продукта этих усилий команда заметила, что они смогли более точно определить расстояние между двойными звездами черной дыры-нейтронов, по сравнению с нейтронными звездами. Витале говорит, что это связано со спином черной дыры вокруг нейтронной звезды, что может помочь ученым лучше определить, откуда в системе исходят гравитационные волны.

«Из-за этого лучшего измерения расстояния я думал, что двоичные файлы Black hole-neutron star могут быть конкурентным зондом для измерения постоянной Хаббла», — говорит Витале. «С тех пор с LIGO и открытием гравитационных волн многое произошло, и все это было поставлено на задний план.»

Витале недавно вернулся к своему первоначальному наблюдению, и в этой новой статье он решил ответить на теоретический вопрос:

«Является ли тот факт, что каждый двоичный звездой черной дыры-нейтроном даст мне лучшее расстояние, чтобы компенсировать тот факт, что потенциально их во Вселенной гораздо меньше, чем двоичных нейтронных звезд?- Говорит витале.

Чтобы ответить на этот вопрос, команда провела моделирование, чтобы предсказать появление обоих типов двойных систем во Вселенной, а также точность их расстояние измерения. По их расчетам, они пришли к выводу,что, даже если бы нейтронные бинарные системы превосходили численностью черных дыр нейтронные Звездные системы на 50-1, последние дали бы постоянную Хаббла, похожую по точности на первую.

Более оптимистично, если бы черные дыры-нейтронные Звездные двоичные были немного более распространенными, но все еще реже, чем нейтронные Звездные двоичные, то первые создали бы константу Хаббла, которая в четыре раза точнее.

«До сих пор люди фокусировались на двойных нейтронных звездах как способ измерения константы Хаббла гравитационными волнами», — говорит Витале. «Мы показали, что есть еще один тип гравитационных волн источником, который до сих пор не была использована так много: черные дыры и нейтронные звезды спирали вместе», — говорит Витале. «LIGO начнет принимать данные снова в январе 2019 года, и это будет гораздо более чувствительным, что означает, что мы сможем увидеть объекты дальше. Таким образом, ЛИГО должен увидеть по крайней мере одну двойную звезду черных дыр-нейтронов и целых 25, что поможет разрешить существующее напряжение в измерении постоянной Хаббла, надеюсь, в ближайшие несколько лет.»

Источник  https://phys.org/news/2018-07-gravitational-reveal-fast-universe.html#jCp

Add a Comment

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *