«Гул» черных дыр поможет измерить скорость расширения Вселенной

Физики предложили использовать слабый фоновый сигнал гравитационных волн от множества слияний черных дыр для независимого определения постоянной Хаббла. Этот метод может разрешить так называемое «напряжение Хаббла» — одно из самых интригующих противоречий в современной космологии.

Скорость расширения Вселенной, описываемая постоянной Хаббла, вот уже несколько лет является предметом ожесточенных споров. Измерения по реликтовому излучению, оставшемуся после Большого взрыва, дают одно значение, тогда как наблюдения за сверхновыми и галактиками в «местной» Вселенной — другое. Расхождение, достигшее статистической значимости в 5 сигма, намекает либо на неизвестные систематические ошибки, либо на существование новой физики за пределами Стандартной модели.

Группа ученых предложила оригинальный подход, использующий гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанную Эйнштейном. В отличие от отдельных событий, регистрируемых обсерваториями LIGO и Virgo, исследователи обратили внимание на их совокупный эффект: так называемый стохастический фон. Он формируется из сигналов далеких слияний черных дыр, слишком слабых, чтобы быть обнаруженными поодиночке, и напоминает непрерывный гул.

Интенсивность этого фона напрямую зависит от скорости расширения Вселенной. Если расширение идет медленнее, доступный для наблюдения объем пространства становится больше, а значит, возрастает и количество слияний, вносящих вклад в общий «шум». Таким образом, даже отсутствие детектирования фона накладывает ограничения на возможные значения постоянной Хаббла: слишком низкие значения приводят к предсказанию более громкого гула, который уже можно было бы зарегистрировать.

Команда проанализировала имеющиеся данные гравитационных детекторов и показала, что ненаблюдение фона исключает некоторые из низких оценок постоянной Хаббла. Этот результат, принятый к публикации в журнале Physical Review Letters, демонстрирует работоспособность метода, хотя текущие ограничения пока достаточно широки. Главное преимущество подхода — его независимость от традиционной космической шкалы расстояний, построенной на электромагнитном излучении.

В основе метода лежит концепция «стандартных сирен»: по гравитационно-волновому сигналу от слияния черных дыр можно напрямую определить расстояние до него. Вместо использования ярких одиночных событий ученые предлагают анализировать вклад всех неразрешенных источников. Это позволяет получить космологическую информацию, не дожидаясь регистрации каждого отдельного слияния на пределе чувствительности детекторов.

Дальнейшее развитие технологии сулит прорыв. Планируемая модернизация LIGO, Virgo и KAGRA в ближайшие годы должна повысить чувствительность настолько, чтобы уверенно зарегистрировать фоновый гул. Тогда ограничения превратятся в прямое измерение, и метод станет мощным инструментом для проверки гипотез о природе темной энергии и разрешения «напряжения Хаббла».