Астрономи використовують злиття нейтронних зір для вимірювання космічного розширення

Протягом приблизно століття вчені знають, що наш Всесвіт постійно розширюється. Це явище, відоме як Константа Хаббла-Леметра, стало основою для багатьох космологічних моделей. Однак швидкість розширення Всесвіту неодноразово переглядалася за останнє століття, оскільки астрономи досліджували все далі в космос і назад у часі. Знання цієї швидкості є надзвичайно важливим для вчених, оскільки допомагає зрозуміти, як почався Всесвіт і якою буде його остаточна доля.

Це також допоможе вирішити багато великих космологічних загадок, таких як існування Темної матерії та Темної енергії. Нещодавно міжнародна команда, очолювана дослідниками з Університету Свінберна (SUT) та Австралійської організації наукових і промислових досліджень (CSIRO), спостерігала за наслідками зіткнення двох нейтронних зір. Об'єднавши дані з телескопів і гравітаційних хвиль, вони отримали нові вимірювання Константи Хаббла-Леметра.

До складу команди входили дослідники з Центру астрофізики та суперкомп'ютерних технологій Свінберна, ARC Центру відмінності з відкриттів гравітаційних хвиль (OzGrav), Тель-Авівського університету, Університету Квінсленда, Індійського інституту технологій Канпур (IIT Kanpur) та Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech). Стаття, що містить їхні результати, нещодавно була опублікована в The Astrophysical Journal.

Три етапи, які астрономи використовували для вимірювання швидкості розширення Всесвіту, відомі як Космічна дистанційна драбина. Джерело: NASA/ESA/A. Feild (STScI)/A. Riess (STScI/JHU)

Для вимірювання космічного розширення вчені спираються на вимірювання відстаней до галактик, що сягають раннього Всесвіту. Це вимагає використання різних методів, залежно від того, наскільки далеко розташовані об'єкти, що відомо як Космічна дистанційна драбина. Проблема полягає в тому, що ці вимірювання знаходяться в "напрузі" одне з одним, що призводить до безперервних дебатів серед космологів, відомих як Напруга Хаббла.

Перші два "ступені" драбини складаються з використання паралаксних вимірювань близьких зір і "стандартних свічок" (Цефеїд та наднових типу Ia) для визначення відстаней до об'єктів, що знаходяться на десятки мільйонів світлових років. Завдяки відомому Телескопу Хаббла, астрономи розрахували швидкість розширення 252,000 км/год (156,585.5 миль/год) на мегапарсек (Mpc) - приблизно 3.262 мільйона світлових років.

Останній ступінь передбачає використання вимірювань червоного зсуву Космічного мікрохвильового фону (CMB) для калібрування відстаней, що охоплюють мільярди світлових років. Картографування цього фону за допомогою супутника ESA Planck дало оцінку близько 244,000 км/год на Mpc (або приблизно 269 км/с на світловий рік). Доктор Келлі Гурджі, провідний автор статті, пояснила в прес-релізі SUT:

Один метод використовує дані з самого раннього Всесвіту - космічне мікрохвильове фонове випромінювання - для виконання вимірювання, тоді як інший використовує вимірювання відносно близьких наднових, що є даними з пізнього Всесвіту. Наше незалежне вимірювання з використанням гравітаційних хвиль є методом пізнього Всесвіту, але результат більше узгоджується з значенням раннього Всесвіту.

З цієї напруги виникає лише дві можливості: або одне з вимірювань є неправильним, що стає більш ймовірним з прогресом по сходах, або наше розуміння фізики є неправильним. Об'єднавши дані з Високочутливої мережі (HSA), глобальної мережі телескопів, астрометричні дані з Хаббла і дані гравітаційних хвиль, команда, очолювана Свінберном і CSIRO, змогла надати нове вимірювання, яке може допомогти вирішити Напругу Хаббла. Зіткнення було настільки потужним, що воно також відправило струмені енергійних частинок у космос, спостереження за якими були критично важливими для виконання вимірювання.

Уявлення художника про злиття бінарних нейтронних зір або подію кілонови. Джерело: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.

Отримане нове значення з цих спостережень не було таким точним, як більш усталені вимірювання. Проте воно є більш точним, ніж попередні спроби, які спиралися на дані гравітаційних хвиль - найпереконливіші свідчення на сьогодні, що вимірювання гравітаційних хвиль можуть допомогти вирішити цю напругу. Професор Адам Деллер з Свінберна, який очолював радіоспостереження, використані в дослідженні, зазначив:

Ці струмені вивільняються лише на кілька секунд, але, коли вони вдаряють в навколишній газ, вони світять місяцями після цього. Ми проаналізували майже рік спостережень з Телескопа Хаббла та двох різних масивів радіотелескопів, розташованих по всій території США та Європи. Деякі астрономи пропонували способи, яким чином обидва вимірювання можуть бути правильними, якщо наше розуміння космології зміниться - але наше вимірювання досить сильно заперечує це рішення.

"Це свідчить про те, що наше розуміння космології не є неправильним, хоча нам потрібно буде дослідити більше злиттів нейтронних зір, щоб бути впевненими," додала доктор Келлі Гурджі, дослідник CSIRO та OzGrav. "На даний момент цей результат додає ще одну точку даних для космологів для розгляду в жвавих дебатах щодо Напруги Хаббла.

Додаткові матеріали: Університет Свінберна, The Astrophysical Journal