Неистовые столкновения черных дыр и нейтронных звезд проливают свет на скорость расширения Вселенной

Изучение насильственных столкновений черных дыр и нейтронных звезд может вскоре предоставить новое измерение скорости расширения Вселенной, что поможет разрешить давний спор, предполагает новое исследование моделирования, проведенное исследователями из UCL (Университетский колледж Лондона).

Кадр из анимационного фильма НАСА, на котором черная дыра пожирает нейтронную звезду. Предоставлено: Дана Берри / НАСА.

Третий тип измерения, рассматривающий взрывы света и рябь в ткани пространства, вызванную столкновениями черной дыры и нейтронной звезды, должен помочь разрешить это разногласие и прояснить, нуждается ли наша теория Вселенной в переписывании.

Новое исследование, опубликованное в Письма с физическими проверками, смоделировал 25 000 сценариев столкновения черных дыр и нейтронных звезд, стремясь увидеть, сколько из них, вероятно, будет обнаружено приборами на Земле в середине-конце 2020-х годов.

Исследователи обнаружили, что к 2030 году инструменты на Земле смогут ощущать рябь в пространстве-времени, вызванную до 3000 таких столкновений, и что примерно в 100 из этих событий телескопы также будут видеть сопровождающие взрывы света.

Они пришли к выводу, что этих данных будет достаточно, чтобы обеспечить новое, полностью независимое измерение скорости расширения Вселенной, достаточно точное и надежное, чтобы подтвердить или опровергнуть необходимость новой физики.

Ведущий автор доктор Стивен Фини (UCL Physics & Astronomy) сказал: «Нейтронная звезда – это мертвая звезда, созданная, когда очень большая звезда взрывается, а затем коллапсирует, и она невероятно плотная – обычно 10 миль в поперечнике, но с массой до вдвое больше, чем у нашего Солнца. Его столкновение с черной дырой является катастрофическим событием, вызывающим рябь пространства-времени, известную как гравитационные волны, которые мы теперь можем обнаружить на Земле с помощью обсерваторий, таких как LIGO и Virgo.

«Мы еще не обнаружили света от этих столкновений. Но повышение чувствительности оборудования, регистрирующего гравитационные волны, вместе с новыми детекторами в Индии и Японии приведет к огромному скачку вперед с точки зрения того, сколько из этих типов событий мы можем обнаружить. Это невероятно увлекательно и должно открыть новую эру в астрофизике ».

Чтобы рассчитать скорость расширения Вселенной, известную как постоянная Хаббла, астрофизикам необходимо знать расстояние до астрономических объектов от Земли, а также скорость, с которой они удаляются. Анализ гравитационных волн показывает, как далеко до столкновения, и остается определить только скорость.

Чтобы определить, с какой скоростью движется галактика, в которой произошло столкновение, мы смотрим на «красное смещение» света, то есть на то, как длина волны света, производимого источником, была растянута при его движении. Взрывы света, которые могут сопровождать эти столкновения, помогут нам точно определить галактику, в которой произошло столкновение, что позволит исследователям объединить измерения расстояния и измерения красного смещения в этой галактике.

Доктор Фини сказал: «Компьютерные модели этих катастрофических событий неполны, и это исследование должно дать дополнительную мотивацию для их улучшения. Если наши предположения верны, многие из этих столкновений не вызовут взрывов, которые мы можем обнаружить – черная дыра поглотит звезду, не оставив следов. Но в некоторых случаях меньшая черная дыра может сначала разорвать нейтронную звезду, прежде чем проглотить ее, потенциально оставляя материю за пределами дыры, которая испускает электромагнитное излучение ».

Соавтор, профессор Хиранья Пейрис (UCL Physics & Astronomy и Стокгольмский университет) сказал: «Разногласия по поводу постоянной Хаббла – одна из самых больших загадок в космологии. Эти катаклизмы не только помогают нам разгадать эту загадку, но и открывают новое окно во Вселенной. В ближайшее десятилетие мы можем ожидать много захватывающих открытий ».

Гравитационные волны обнаруживаются в двух обсерваториях в Соединенных Штатах (LIGO Labs), одной в Италии (Дева) и одной в Японии (KAGRA). Пятая обсерватория LIGO-India сейчас находится в стадии строительства.

Две наши лучшие текущие оценки расширения Вселенной составляют 67 километров в секунду на мегапарсек (3,26 миллиона световых лет) и 74 километра в секунду на мегапарсек. Первый получен из анализа космического микроволнового фона, излучения, оставшегося от Большого взрыва, а второй – из сравнения звезд на разных расстояниях от Земли, в частности цефеид, которые имеют переменную яркость, и взрывающихся звезд, называемых сверхновыми типа Ia.

Доктор Фини объяснил: «Поскольку для измерения микроволнового фона требуется полная теория Вселенной, а для звездного метода – нет, разногласия предлагают соблазнительные доказательства новой физики, выходящей за рамки нашего нынешнего понимания. Однако, прежде чем мы сможем сделать такие заявления, нам нужно подтверждение несогласия с полностью независимыми наблюдениями – мы считаем, что они могут быть получены в результате столкновений черной дыры и нейтронной звезды ».