Nuo pat savo įkūrimo prieš 13,8 milijardo metų Visata toliau plėtėsi, greitai kylančioje tešloje išbarstydama šimtus milijardų galaktikų ir žvaigždžių kaip razinos. Astronomai nukreipė teleskopus į tam tikras žvaigždes ir kitus kosminius šaltinius, kad matuotų jų atstumą nuo Žemės ir jų pašalinimo greitį - du parametrai, reikalingi Hablo konstantai apskaičiuoti, matavimo vienetas, apibūdinantis visatos plėtimosi greitį.
Tačiau iki šiol tiksliausi bandymai įvertinti Hablo konstantą davė labai išsibarsčiusias vertybes ir neleido padaryti galutinės išvados apie tai, kaip greitai visata auga. Ši informacija, pasak mokslininkų, turėtų nušviesti Visatos kilmę ir likimą: ar kosmosas be galo plėsis, ar vieną dieną sumažės?
Taigi, Masačusetso technologijos instituto ir Harvardo universiteto mokslininkai pasiūlė tikslesnį ir savarankiškesnį būdą išmatuoti Hablo konstantą naudojant gravitacines bangas, kurias skleidžia gana retos sistemos: juodosios skylės-neutronų žvaigždės dvejetainė sistema, energinė pora, kurią spirale suka juoda skylė, ir neutroninė žvaigždė. Šie objektai judėdami šokyje sukuria erdvės – laiko drebėjimo bangas ir šviesos blyksnį įvykus paskutiniam susidūrimui.
Liepos 12 d. Paskelbtame leidinyje „Physical Review Letters“mokslininkai pranešė, kad šviesos pliūpsnis leis mokslininkams įvertinti sistemos greitį, tai yra, kaip greitai ji tolsta nuo Žemės. Skleidžiamos gravitacinės bangos, jei jos užfiksuotos Žemėje, turėtų užtikrinti nepriklausomą ir tikslų atstumo iki sistemos matavimą. Nepaisant to, kad dvejetainės juodųjų skylių ir neutroninių žvaigždžių sistemos yra neįtikėtinai retos, mokslininkai mano, kad atradus net keletą jų bus tiksliausias iki šiol įvertintas Hablo konstantas ir Visatos išsiplėtimo greitis.
„Dvejetainės juodųjų skylių ir neutronų žvaigždžių sistemos yra labai sudėtingos sistemos, apie kurias mes žinome labai mažai“, - sako Salvatore Vitale, MIT fizikos docentas ir pagrindinis šio straipsnio autorius. - Jei tokį rasime, prizas bus mūsų radikalus proveržis suprantant visatą “.
„Vitale“bendraautorius yra Hsin-Yu Chenas iš Harvardo.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Konkuruojančios konstantos
Neseniai buvo atlikti du nepriklausomi Hablo konstantos matavimai, vienas naudojant NASA Hablo kosminį teleskopą, kitas - Europos kosmoso agentūros „Planck“palydovą. Hablo matavimas buvo pagrįstas žvaigždės, žinomos kaip Kefeido kintamasis, stebėjimais, taip pat supernovų stebėjimais. Abu šie objektai yra laikomi „standartinėmis žvakėmis“dėl numatomo ryškumo, pagal kurį mokslininkai įvertina atstumą iki žvaigždės ir jos greitį.
Kitas vertinimo tipas remiasi kosminio mikrobangų fono svyravimų stebėjimais - elektromagnetine spinduliuote, kuri liko po Didžiojo sprogimo, kai visata dar buvo kūdikystės stadijoje. Nors abiejų zondų stebėjimai yra itin tikslūs, jų įvertinimai apie Hablo konstantą labai skiriasi.
„Ir čia atsiranda LIGO“, - sako Vitale.
LIGO, arba lazerio-interferometrinė gravitacinių bangų observatorija, ieško gravitacinių bangų - raibulių ant erdvė-laiko audinio, kuris gimsta dėl astrofizinių kataklizmų.
"Gravitacinės bangos yra labai paprastas ir paprastas būdas išmatuoti atstumus iki jų šaltinių", - sako Vitale. "Tai, ką radome su LIGO, yra tiesioginis atstumo iki šaltinio atspaudas, be jokios tolesnės analizės".
2017 m. Mokslininkai gavo pirmą galimybę įvertinti Hablo konstantą iš gravitacinių bangų šaltinio, kai LIGO ir jos kolegė iš Italijos Mergelė pirmą kartą istorijoje atrado susidūrusių neutronų žvaigždžių porą. Šis susidūrimas išleido didžiulį kiekį gravitacinių bangų, kurias mokslininkai išmatavo, kad nustatytų atstumą nuo Žemės iki sistemos. Susijungimas taip pat skleidė šviesos pliūpsnį, kurį astronomai galėjo analizuoti antžeminiais ir kosminiais teleskopais, kad nustatytų sistemos greitį.
Gavę abu matavimus, mokslininkai apskaičiavo naują Hablo konstantos vertę. Tačiau vertinant buvo gautas santykinai didelis neapibrėžtumas - 14%, daug labiau neapibrėžtas nei vertės, apskaičiuotos naudojant Hablo ir Planko duomenis.
Vitale sako, kad didžioji neapibrėžtumo dalis kyla iš to, kad sunku interpretuoti atstumą nuo dvejetainės sistemos iki Žemės, naudojant tos sistemos generuojamas gravitacines bangas.
„Mes matuojame atstumą žiūrėdami, kokia„ garsi “yra gravitacinė banga, tai yra, kaip bus švarūs mūsų duomenys apie ją“, - sako Vitale. „Jei viskas aišku, galite pamatyti, kad jis garsus, ir nustatyti atstumą. Bet tai tik iš dalies pasakytina apie dvejetaines sistemas “.
Faktas yra tas, kad šios sistemos, generuojančios sūkuriuojantį energijos diską, vystantis dviejų neutroninių žvaigždžių šokiui, netolygiai skleidžia gravitacijos bangas. Dauguma gravitacinių bangų šaudomos iš disko centro, o iš kraštų - kur kas mažiau. Jei mokslininkai aptinka „garsų“gravitacinių bangų signalą, tai gali reikšti vieną iš dviejų scenarijų: aptiktos bangos gimsta sistemos, kuri yra labai arti Žemės, kraštuose, arba bangos ateina iš kur kas tolimesnės sistemos centro.
„Dvejetainių žvaigždžių sistemų atveju labai sunku atskirti šias dvi situacijas“, - sako Vitale.
Nauja banga
2014 m., Dar prieš LIGO aptikus pirmąsias gravitacines bangas, Vitale'as ir jo kolegos pastebėjo, kad juodosios skylės ir neutronų žvaigždės dvejetainė sistema gali suteikti tikslesnį atstumo matavimą nei dvinarės neutroninės žvaigždės. Komanda ištyrė, kaip tiksliai galima išmatuoti juodosios skylės sukimąsi, su sąlyga, kad šie objektai, kaip ir Žemė, savo ašimi sukasi tik greičiau.
Tyrėjai modeliavo įvairias juodųjų skylių sistemas, įskaitant juodosios skylės-neutronų žvaigždžių sistemas ir dvinarių neutronų žvaigždžių sistemas. Pakeliui buvo nustatyta, kad atstumą iki juodosios skylės - neutronų žvaigždžių sistemas galima nustatyti tiksliau nei iki neutroninių žvaigždžių. Vitale sako, kad taip yra dėl juodosios skylės sukimosi aplink neutronų žvaigždę, nes tai padeda geriau nustatyti, iš kur sistemoje kyla gravitacinės bangos.
"Dėl tikslesnio atstumo matavimo maniau, kad dvejetainės juodosios skylės-neutronų žvaigždžių sistemos gali būti tinkamesnis atskaitos taškas Hablo konstantai matuoti", - sako Vitale. - Nuo to laiko su LIGO įvyko labai daug ir buvo atrastos gravitacinės bangos, todėl visa tai nublanko į antrą planą.
Vitale'as neseniai grįžo prie savo pirminio pastebėjimo.
"Iki šiol žmonės pirmenybę teikė dvinarėms neutroninėms žvaigždėms, kaip būdui išmatuoti Hablo konstantą naudojant gravitacines bangas", - sako Vitale. „Mes parodėme, kad yra dar vienas gravitacinių bangų šaltinių tipas, kuris iki šiol nebuvo iki galo išnaudotas: aplink šokančios juodosios skylės ir neutroninės žvaigždės. LIGO vėl pradės rinkti duomenis 2019 m. Sausio mėn. Ir bus daug jautresnis, o tai reiškia, kad galime pamatyti ir tolimesnius objektus. Todėl LIGO galės pamatyti bent vieną juodosios skylės ir neutroninės žvaigždės sistemą ir, pageidautina, visas dvidešimt penkias, ir tai padės išspręsti esamą įtampą matuojant Hablo konstantą, tikiuosi, per ateinančius kelerius metus.
Ilja Khelis