Космический «гул» чёрных дыр может переписать историю Вселенной

Почему «напряжение Хаббла» может разрешить гравитационный гул: новый взгляд на расширение Вселенной

Скорость расширения Вселенной — одна из тех величин, которые должны сходиться с точностью до погрешности. Но они не сходятся. Измерения по ранней Вселенной (реликтовое излучение) дают одно значение, по поздней (сверхновые) — другое. Разница небольшая, но статистически значимая. Это называют «напряжением Хаббла». И вот появился неожиданный способ его проверить — через едва уловимый гравитационный гул от миллионов слияний чёрных дыр.

В чём суть проблемы

Представьте, что вы измеряете скорость автомобиля двумя разными радарами. Один показывает 100 км/ч, другой — 110. Разница вроде бы невелика, но погрешность каждого прибора — 1%. Значит, расхождение не случайно. Либо один радар врет, либо в ваших представлениях о движении есть пробел. В космологии то же самое: постоянная Хаббла, измеренная по реликтовому излучению, равна примерно 67 км/с на мегапарсек. А по стандартным свечам (сверхновым типа Ia) — около 73. Разница — 9% — держится уже лет десять и не исчезает с улучшением точности. Либо в уравнениях не хватает члена — например, новой формы тёмной энергии, — либо систематика закралась в измерения.

Гравитационный фон как третий радар

Новый метод использует стохастический гравитационно-волновой фон. Что это? Постоянное «шуршание» пространства-времени от бесчисленных слияний чёрных дыр. Каждое такое событие слишком слабо, чтобы детектировать отдельно, но в сумме они создают слабый сигнал, похожий на шум океана. Его интенсивность зависит от того, сколько чёрных дыр слилось за всю историю Вселенной — а значит, от объёма пространства, который мы наблюдаем. Чем быстрее расширялась Вселенная, тем больше этот объём и тем громче гравитационный гул.

Это третий независимый способ измерения постоянной Хаббла — в дополнение к реликтовому излучению и сверхновым. И если все три дадут один результат, «напряжение» исчезнет. Если нет — нас ждёт пересмотр фундаментальной физики.

Как это работает: пошаговый механизм

Схема следующая. Берут данные сети детекторов LIGO-Virgo-KAGRA за несколько лет. Находят в них ожидаемый уровень фона от всех слияний чёрных дыр, которые могли произойти в наблюдаемой Вселенной. Теоретическая модель предсказывает, какой должна быть интенсивность фона при разных значениях постоянной Хаббла. Затем сравнивают с реальным сигналом (или его отсутствием). Пока прямой детекции фона нет — только верхние пределы. Но даже эти пределы уже позволяют исключить самые медленные сценарии расширения. Исследователи показали: если бы Вселенная расширялась со скоростью ниже 65 км/с/Мпк, фон был бы настолько слабым, что его бы не заметили. А он не заметен. Значит, скорость точно выше 65. Это не точное измерение, но — как фильтр.

Сравнение методов

Моё мнение: почему это важно

Лично я считаю, что именно гравитационные волны дадут ответ, а не оптические телескопы. Потому что они не зависят от пыли, поглощения света или калибровки свечей. Это прямой сигнал от самого пространства-времени. Недавно я заметил, как быстро растёт сеть детекторов: LIGO и Virgo модернизируются, японский KAGRA повышает чувствительность, а на подходе наземные обсерватории нового поколения — Einstein Telescope и Cosmic Explorer. В ближайшие 5–10 лет они зафиксируют гравитационный фон напрямую. Тогда у нас будет три полностью независимых измерения. Если они сойдутся — напряжение Хаббла исчезнет, и мы просто уточним значение. Если нет — придётся менять космологию.

Резюме от автора

Гравитационный гул — не просто шум. Это потенциально самый чистый способ проверить, почему Вселенная расширяется именно так. Следите за новостями LIGO. Скорее всего, к концу десятилетия мы узнаем, была ли ошибка в измерениях или в уравнениях.