Постоянную Хаббла подсчитали при помощи гравитационных волн

 Гравитационно-волновая обсерватория LIGO измерила скорость расширения Вселенной новым способом, по гравитационно-волновым следам от слияния нейтронных звезд. Результат не совпал ни с одним из полученных ранее — он почти одинаково далек и от данных наблюдений за реликтовым излучением с помощью космической обсерватории «Планк», и от данных, полученных благодаря наблюдениям за сверхновыми и переменными звездами.

© Michael Koppitz 

Сегодня астрономы знают, что Вселенная расширяется. Это видно по целому ряду факторов, включая красное смещение света от удаленных объектов. Но для того, чтобы точно понимать космологическую картину ее эволюции, важно измерить скорость этого расширения, ведь, например, именно от нее зависит оценка возраста Вселенной.

Эту скорость характеризует, кроме прочего, постоянная Хаббла. Вопреки названию, это вовсе не постоянная, она может меняться во времени, однако в каждый момент времени ее значение должно быть одинаково. На практике же значение постоянной Планка при разных методах измерения получается разным, чего не должно быть.

Измерить ее можно двумя способами. Первый — отслеживая параметры реликтового излучения, своеобразного «эха» Большого взрыва, как это сделала космическая обсерватория «Планк». Второй — вычисляя расстояние до относительно близких галактик по сверхновым типа Ia (у них одна и та же яркость при вспышке, а значит, разницу в наблюдаемой с Земли яркости можно прямо перевести в расстояние до такой сверхновой) и цефеидам, переменным звездам, яркость которых периодически меняется по жестким закономерностям, что также позволяет использовать их для точной оценки расстояний до других галактик. «Планк» показал, что Вселенная расширяется со скоростью 67,66±0,42 км/с на мегапарсек. Это значит, что каждый мегапарсек (3,26 миллиона световых лет) пространства растягивается на 67,4 километра каждую секунду. Второй метод, по сверхновым и цефеидам, показал 73,52±1,62 км/с на мегапарсек. Легко видеть, что даже крайние значения (с учетом возможных ошибок) обоих методов явно не пересекаются.

Два настолько разных результата измерения фундаментальной величины в физике могут получиться только в том случае, если в ходе эксперимента ученые допустили ошибку или не учли какую-то пока неизвестную силу.

Первая причина маловероятна — слишком много было повторений. Вместе с тем новые гипотезы, которые должны были снять проблему, трудно назвать удовлетворительными, поскольку они объясняют разницу измерений с помощью подгонки не до конца понятных космологических факторов вручную. Таким способом можно объяснить любые непонятные вещи, так же как подгонкой решения под ответ в конце задачника можно «решить» любую задачу. Обычно физики стараются избегать таких гипотез.

В новой работе, опубликованной в Nature Astronomy, международная группа ученых решила измерить постоянную Хаббла иначе — с помощью гравитационно-волнового всплеска GW170817 от слияния нейтронных звезд, который был зарегистрирован в 2017 году. С его помощью астрономы уточнили расстояние до галактики NGC 4993, что позволило оценить и скорость расширения пространства между ней и нашей Галактикой. В этом случае задача астрономов была легче: дело в том, что на месте события возникла довольно сильная вспышка, которую удалось зафиксировать не только в гравитационных, но и в электромагнитных волнах, то есть с помощью ряда телескопов, работающих в различных диапазонах.

Сравнив расстояние до NGC 4993 по гравитационно-волновому событию и по данным наблюдений в видимом диапазоне, астрономы вычислили значение постоянной Хаббла — 70,3 км/с на мегапарсек. Однако, поскольку этот метод применяется в первый раз и пока далек от совершенства, разброс значений получился большим — от 65,3 до 75,6 км/с на мегапарсек. Тем не менее результат весьма показателен: он примерно одинаково далек и от измерения по сверхновым и цефеидам, и от измерения по реликтовому излучению.

Если расхождение всех трех основных методов определения постоянной Хаббла подтвердится и в дальнейших работах, наиболее вероятной причиной странностей с измерением конкретной скорости расширения Вселенной станет «новая физика» — какие-то пока неизвестные физические закономерности. Вероятнее всего, речь пойдет о том, что со временем изменяется количество так называемой темной материи. Если во Вселенной количество темной материи со временем убывает, то скорость ее расширения может меняться не так, как астрофизики предполагают сегодня. Тогда разные методы измерений и должны показывать несколько различающиеся результаты.

Статья опубликована в журнале Nature Astronomy