Измерение постоянной Хаббла на основании данных, полученных при слиянии нейтронных звёзд
Чуть больше года назад, 17 августа, LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) зарегистрировала слияние двойной нейтронной звезды GW170817 (GW от Gravitational Waves, гравитационные волны, а 170817 – 17 августа 2017). По ряду причин это стало считаться прорывом. Во-первых, это событие наблюдалось комплексно – сначала мы увидели рябь пространственно-временного континуума (гравитационные волны), прошедшие через детектор LIGO, а затем, через две секунды, увидели и свет того же самого слияния, уже в электромагнитном спектре.
Кроме того, данные, полученные в результате наблюдения разных физических признаков слияния (свет и гравитационные возмущения), позволили уточнить значение постоянной Хаббла. Постоянная Хаббла очень важна для космологии, она описывает скорость расширения Вселенной и через неё определяют размер и возраст нашей Вселенной. Гравитационно-волновые события с соответствующими им электромагнитными сигналами стали новым эталоном для измерений космоса.
Но слияния двойных нейтронных звёзд – это не единственный тип слияний, который мы намерены наблюдать. При слиянии нейтронных звёзд с чёрными дырами (которые должны происходить значительно реже) также могут возникать гравитационные всплески и электромагнитные излучения, которые мы можем использовать для расчёта постоянной Хаббла. И, возможно, этот метод окажется ещё лучше.
Стандартные сирены: как гравитационные волны помогают в определении постоянной Хаббла
В формуле закона Хаббла v = H0*d, где v – это скорость объекта, удаляющегося вследствие расширения Вселенной, а d – расстояние до этого объекта. Постоянная Хаббла H0 определяет отношение этих двух величин и, предположительно, равна чему-то около 70 (км/с)/Мпк. Рассчитанное значение H0 очень сильно зависит от точно измеренных расстояний, но измерение расстояний в нашей Вселенной – дело непростое.
Непосредственному измерению поддаются лишь те объекты, которые находятся недалеко от Земли. Во всех остальных случаях мы используем «шкалу космических расстояний». В её основании находятся прямые измерения, например, параллакс, но чем выше мы поднимаемся, тем больше становятся расстояния – и каждый последующий уровень зависит от результатов, полученных на предыдущих. Поэтому для больших расстояний применяются методы косвенных измерений, в которых используются так называемые «стандартные свечи». При этом откалибровать стандартные свечи – задача непростая, и эти неопределённости при калибровке влияют на нашу оценку H0.
Недавно мы открыли новый, совершенно независимый способ измерения постоянной Хаббла: слияния (например, слияние двойных нейтронных звёзд, такие как на Рис. 1), в ходе которых появляются как гравитационные, так и электромагнитные волны. Такие события мы называем «стандартными сиренами» (в отличие от «стандартных свечей»), потому что для определения расстояния до источника мы используем в качестве сигнала гравитационные волны. Кроме этого, мы можем измерить скорость удаления по красному смещению, полученному вместе с электромагнитным сигналом. Для недавнего слияния двойной нейтронной звезды (GW170817), мы сопоставили результаты измерений скорости и расстояния, чтобы получить H0= 70,0 км/с/Мпк. Это значение занимает промежуточное положение между оценками Планка и SHoEs (Supernova H0 for the Equation of State) для H0 и статистически соответствует им обоим (см. Рис. 2).
Другие типы слияний также могут быть хорошо заметны в электромагнитном спектре, например, слияние нейтронной звезды с чёрной дырой (Neutron Star Black Hole). Когда нейтронная звезда разрушается приливными силами чёрной дыры, образуется аккреционный диск и появляется электромагнитное излучение (см. Рис. 3). Если мы зарегистрируем гравитационную волну и одновременно электромагнитное излучение от слияния NSBH, мы можем использовать эти данные для измерения H0. К тому же, некоторые особенности этого типа слияний делают его идеальным для определения расширения пространства.
Слияния нейтронных звёзд с чёрными дырами как идеальный космический эталон
Главная неопределённость при измерении постоянной Хаббла с использованием слияний – это определение расстояния до источника по гравитационным волнам. Нам нужно по возможности уменьшить фактор неопределённости, что мы потенциально можем сделать, если будем использовать слияния нейтронных звёзд с чёрными дырами вместо слияний двойных нейтронных звёзд. Есть две главные причины, почему слияния NSBH лучше для определения расстояний, чем слияния двойных нейтронных звёзд.
1. В некоторых случаях нелегко определить причину того, что гравитационная волна приобрела определённую форму, это либо расстояние от источника до Земли, либо угол наклона орбиты (т.е. угол между линией взора и полным угловым моментом системы). Это означает, что в расчётах этих двух параметров всегда присутствует неточность. В слияниях NSBH должна наблюдаться значительная прецессия, что позволит устранить эту неточность.
2. Кроме того, чёрные дыры тяжелее нейтронных звёзд, что позволяет наблюдать более удалённые от нас источники NSBH. Таким образом, мы сможем увидеть больше гравитационных событий.
При этом слияния NSBH, скорее всего, окажутся более редкими событиями, чем слияния двойных нейтронных звёзд, и на текущий момент мы ещё не видели ни одного такого слияния. Для того, чтобы повлиять на измерение H0, слияния NSBH должны наблюдаться достаточно часто. Есть мнение, что если на 50 слияний двойных нейтронных звёзд существует хотя бы одно слияние NSBH, то за счёт их наблюдения мы сможем уточнить значение постоянной Хаббла. Эта частота совпадает с текущей оценкой, основанной на отсутствии наблюдений за слияниями NSBH.
Метод, описанный в статье, можно использовать с некоторыми оговорками и ограничениями. Например, он предполагает, что слияния NSBH будут наблюдаться комплексно, т.е. мы сможем обнаружить их не только как источник гравитационных волн, но и наблюдать в электромагнитном диапазоне. При этом регистрация электромагнитного излучения может зависеть от ориентации источника (ожидается, что источником электромагнитного излучения будет приливной диск, вращающийся на уровне экватора чёрной дыры, см. Рис. 3).
Остаётся открытым вопрос о точной природе электромагнитного излучения слияний NSBH, именно по этой причине количество подобных событий, которые окажутся полезными для расчёта постоянной Хаббла, может уменьшиться. И все же погрешность значения постоянной Хаббла по результатам наблюдений слияний NSBH может стать до 10 раз меньше, чем с использованием слияний двойных нейтронных звёзд с тем же соотношением шум/сигнал, и учёным не стоит отказываться от поисков.
Источник: astrobites.org
Перевод: Максим Новокшонов