Гравитационный шёпот миллиарда чёрных дыр. Учёные нашли новый способ измерить скорость расширения Вселенной

Вселенная расширяется, и космологи давно научились измерять скорость этого процесса. Проблема в том, что разные методы дают разные цифры. Данные о ранней Вселенной рисуют одну картину, наблюдения за более поздними эпохами — другую. Разрыв между значениями постоянной Хаббла получил название «хаббловское напряжение» и уже несколько лет остается одной из самых острых загадок современной космологии.

Группа астрофизиков и физиков из The Grainger College of Engineering при Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн и из Чикагского университета предложила новый способ вычислить постоянную Хаббла с помощью гравитационных волн — крошечных ряби в ткани пространства-времени. Исследователи повысили точность по сравнению с прежними «гравитационно-волновыми» оценками и показали, как будущие наблюдения могут еще сильнее сузить диапазон возможных значений.

Николас Юнес, профессор физики Университета Иллинойса и директор Illinois Center for Advanced Studies of the Universe, назвал результат принципиально важным. По словам ученого, независимое измерение постоянной Хаббла необходимо, чтобы разобраться с расхождениями между ранней и поздней Вселенной, а новая методика повышает точность выводов, основанных на гравитационных волнах. Соавтор работы Дэниел Хольц из Чикагского университета добавил, что исследователи фактически создали новый инструмент для космологии. Анализ фонового «гула» гравитационных волн от слияний черных дыр в далеких галактиках позволяет уточнять возраст и состав Вселенной и открывает направление для дальнейших исследований.

С начала XX века ученые применяют два основных подхода к измерению скорости расширения. Первый опирается на электромагнитные наблюдения, например на вспышки сверхновых. Астрономы знают их светимость, поэтому могут вычислить расстояние до взрыва и скорость удаления галактики. Второй подход использует гравитационные волны, возникающие при столкновениях компактных объектов вроде черных дыр. Такие волны распространяются со скоростью света и достигают наземных детекторов сети LIGO–Virgo–KAGRA, объединяющей более двух тысяч исследователей.

Метод «стандартной сирены» позволяет определить расстояние до источника гравитационных волн, но скорость удаления точки столкновения напрямую не измеряется. Чтобы получить постоянную Хаббла, астрономам приходится искать свет от слияния или идентифицировать галактику-хозяина. На практике значения, полученные разными способами, не совпадают. Если расхождение сохранится, физикам, возможно, придется пересматривать модель ранней Вселенной, включая сценарии с ранней темной энергией или необычными взаимодействиями темной материи и нейтрино.

Новая работа предлагает иной ход. Команда Юнеса и аспиранта Брайса Казинса сосредоточилась не на отдельных столкновениях, а на так называемом гравитационно-волновом фоне — совокупности множества слабых слияний, которые детекторы пока не различают по отдельности. Наблюдая частоту фиксируемых столкновений черных дыр, исследователи оценили, сколько подобных событий происходит во Вселенной в целом. Если постоянная Хаббла мала, объем наблюдаемого пространства меньше, плотность столкновений выше и фоновый сигнал должен быть сильнее. Отсутствие зарегистрированного фона позволяет исключать слишком низкие значения скорости расширения.

Метод получил название «стохастическая сирена», поскольку слияния, формирующие фоновый сигнал, происходят случайным образом. Авторы применили подход к текущим данным коллаборации LIGO–Virgo–KAGRA и показали, что отсутствие детекции фона уже позволяет отвергнуть сценарии с медленным расширением. Объединение стохастической сирены с измерениями по отдельным слияниям черных дыр дало более точную оценку постоянной Хаббла и сдвинуло результат в зону хаббловского напряжения.

Чувствительность детекторов продолжает расти, и исследователи ожидают, что гравитационно-волновой фон удастся обнаружить в течение ближайших шести лет. По мере ужесточения верхних пределов на уровень фона стохастическая сирена будет все точнее ограничивать допустимые значения постоянной Хаббла, даже до прямой регистрации сигнала. Авторы рассчитывают, что включение новых данных приблизит космологов к ответу на вопрос, почему Вселенная расширяется с разной скоростью в расчетах ранней и поздней эпох.