Як швидко насправді розширюється Всесвіт: загадку вирішує брижі в просторі-часі

Одна з найбільших загадок сучасної фізики полягає в тому, що існує протиріччя в розрахунку швидкості розширення Всесвіту. Тобто різні спостереження дають різні результати і це називається проблема Габбла. Вчені вважають, що розв'язати цю проблему можна, якщо використовувати брижі в просторі-часі або гравітаційні хвилі для вимірювання швидкості розширення Всесвіту. Дослідження опубліковано в журналі Physical Review Letters, пише Space.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

З 1998 року астрономи знають, що наш Всесвіт не тільки розширюється, але робить це з прискоренням. Прискорює швидкість розширення космосу так звана темна енергія, але її природа до кінця не зрозуміла. Водночас одним із головних невирішених питань сучасної фізики залишається питання про справжнє значення швидкості розширення космосу.

Швидкість розширення Всесвіту описує постійна Габбла. Розбіжності з приводу сталої Габбла виникають через те, що під час її вимірювання за допомогою наднових типу 1a в локальному і сучасному Всесвіті виходить одне значення. Але якщо вимірювати реліктове випромінювання, яке виникло в найбільш ранньому Всесвіті, то виходить інше значення. Так виникала проблема Габбла.

Тепер автори дослідження стверджують, що справжнє значення швидкості розширення Всесвіту можна отримати за допомогою гравітаційних хвиль. Це допоможе вирішити проблему Габбла.

Гравітаційні хвилі

Існування гравітаційних хвиль передбачив Альберт Ейнштейн на початку XX століття. Його загальна теорія відносності передбачає, що об'єкти з масою викликають викривлення тканини простору-часу. Те, що ми сприймаємо як гравітацію, виникає через це викривлення. При цьому, що більша маса об'єкта, то більше викривлення і то сильніша гравітація.

Загальна теорія відносності Ейнштейна також передбачає, що, коли об'єкти прискорюються в просторі-часі, це створює брижі (їх можна порівняти з брижами на поверхні озера), які поширюються зі швидкістю світла. Це гравітаційні хвилі і вперше їх виявили 2015 року. Ці хвилі виникли внаслідок зіткнення і злиття двох масивних чорних дір, розташованих на відстані близько 1,3 мільярда світлових років від нас. Відтоді вчені зафіксували гравітаційні хвилі від злиттів чорних дір, нейтронних зірок і навіть від злиттів чорної діри та нейтронної зірки.

Автори дослідження кажуть, що, використовуючи фоновий шум гравітаційних хвиль від злиття чорних дір у далеких галактиках, можна уточнити швидкість розширення Всесвіту.

Розв'язання загадки швидкості розширення Всесвіту

Щоб використовувати гравітаційні хвилі для вимірювання сталої Габбла, вченим необхідно виміряти швидкість віддалення подій, що породжують гравітаційні хвилі, а не просто оцінити відстань до цих подій. Для цього астрономам необхідно відстежувати світло, тобто електромагнітне випромінювання від цих подій або навіть від галактик, у яких вони відбуваються.

Науковці можуть отримати два значення сталої Габбла: одне тільки за допомогою електромагнітного випромінювання, інше — за допомогою електромагнітного випромінювання і гравітаційних хвиль. Якщо ці методи не збігаються, зберігається невизначеність щодо сталої Габбла, і вчені розуміють, що в ранньому Всесвіті та сучасному Всесвіті є щось, чого вони не можуть пояснити.

Автори дослідження пропонують використовувати для визначення швидкості розширення космосу фоновий шум гравітаційних хвиль. Це можна розглядати як фоновий гул Всесвіту, що виникає внаслідок безлічі більш віддалених зіткнень чорних дір. Вчені кажуть, що можна визначити частоту цих зіткнень у Всесвіті.

Учені припускають, що за нижчих значень сталої Габбла обсяг простору, доступного для зіткнень, зменшується, що призводить до більшої густини зіткнень і, отже, до сильнішого фонового шуму. Таким чином, якщо цей шум не може бути виявлений, це вказує на більш високе значення постійної Габбла.

Вчені вже виявили, що наявні дані про гравітаційні хвилі вказують на вищі значення сталої Габбла і, отже, на вищу швидкість розширення Всесвіту. Але потрібні більш чутливі детектори гравітаційних хвиль, які могли б пошкодити ці висновки. Вчені вважають, що це вдасться зробити протягом найближчих шести років.

Фокус також писав про те, як фізик Стівен Гокінг двома сторінками перевернув розуміння чорних дір з ніг на голову.