Kopš pirmsākumiem pirms 13,8 miljardiem gadu Visums ir turpinājis paplašināties, strauji augošā mīklā izkaisot simtiem miljardu galaktiku un zvaigznes kā rozīnes. Astronomi ir norādījuši teleskopus uz noteiktām zvaigznēm un citiem kosmiskiem avotiem, lai izmērītu to attālumu no Zemes un to izņemšanas ātrumu - divi parametri, kas nepieciešami Habla konstantes aprēķināšanai, mērvienība, kas raksturo Visuma izplešanās ātrumu.
Bet līdz šim visprecīzākie mēģinājumi novērtēt Habla konstanti deva ļoti izkaisītas vērtības un neļāva izdarīt galīgo secinājumu par to, cik ātri Visums aug. Šai informācijai, pēc zinātnieku domām, vajadzētu atklāt Visuma izcelsmi un likteni: vai kosmoss paplašināsies bezgalīgi vai kādu dienu saruks?
Un tāpēc Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta un Hārvardas universitātes zinātnieki ir ierosinājuši precīzāku un neatkarīgāku veidu, kā izmērīt Habla konstanti, izmantojot relatīvi retu sistēmu izstarotos gravitācijas viļņus: melnā cauruma-neitronu zvaigžņu bināro sistēmu, enerģētisko pāri, kuru spirālē savijusi melnā caurums, un neitronu zvaigzni. Kamēr šie objekti dejā pārvietojas, tie rada telpas un laika drebošus viļņus un gaismas uzplaiksnījumu, kad notiek galīgā sadursme.
Pētījumā, kas publicēts 12. jūlija izdevumā Physical Review Letters, zinātnieki ziņoja, ka gaismas plīsums ļaus zinātniekiem novērtēt sistēmas ātrumu, tas ir, cik ātri tā attālinās no Zemes. Izstarotajiem gravitācijas viļņiem, ja tie tiek notverti uz Zemes, jānodrošina neatkarīgs un precīzs attāluma līdz sistēmai mērījums. Neskatoties uz to, ka melno caurumu un neitronu zvaigžņu binārās sistēmas ir neticami reti, zinātnieki lēš, ka pat dažu no tām atklāšana ļaus visprecīzāk novērtēt Habla konstanti un Visuma izplešanās ātrumu līdz šim.
"Melno caurumu un neitronu zvaigžņu binārās sistēmas ir ļoti sarežģītas sistēmas, par kurām mēs ļoti maz zinām," saka MIT fizikas asociētais profesors un raksta vadošais autors Salvatore Vitale. "Ja mēs to atradīsim, balva būs mūsu radikālais sasniegums Visuma izpratnē."
Vitale līdzautors ir Hsin-Yu Chen no Harvardas.
Reklāmas video:
Konkurējošās konstantes
Nesen tika veikti divi neatkarīgi Habla konstantes mērījumi, viens izmantojot NASA Habla kosmisko teleskopu, bet otrs - ar Eiropas Kosmosa aģentūras pavadoni Planck. Habla mērījums balstījās uz zvaigznes, kas pazīstama kā Cefeida mainīgais, novērojumiem, kā arī uz supernovu novērojumiem. Abi šie priekšmeti tiek uzskatīti par "standarta svecēm" spilgtuma paredzamībai, pēc kuras zinātnieki novērtē attālumu līdz zvaigznei un tās ātrumu.
Cita veida novērtējums balstās uz kosmiskās mikroviļņu fona svārstību novērojumiem - elektromagnētisko starojumu, kas saglabājās pēc Lielā sprādziena, kad Visums vēl bija tikai sākuma stadijā. Lai gan abu zondu novērojumi ir ārkārtīgi precīzi, to aprēķini par Habla konstanti ļoti atšķiras.
"Un šeit spēlē LIGO," saka Vitale.
LIGO jeb lāzera interferometriskā gravitācijas viļņu observatorija meklē gravitācijas viļņus - viļņus uz telpas-laika auduma, kas dzimis astrofizisko kataklizmu rezultātā.
"Gravitācijas viļņi nodrošina ļoti vienkāršu un ērtu veidu, kā izmērīt attālumus līdz to avotiem," saka Vitale. "Tas, ko mēs atradām ar LIGO, ir tiešs attāluma līdz avotam nospiedums, bez papildu analīzes."
2017. gadā zinātnieki ieguva savu pirmo iespēju novērtēt Habla konstanti no gravitācijas viļņu avota, kad LIGO un tā itāļu kolēģis Jaunava pirmo reizi vēsturē atklāja pāris sadursmju neitronu zvaigznes. Šī sadursme atbrīvoja milzīgu daudzumu gravitācijas viļņu, kurus zinātnieki izmērīja, lai noteiktu attālumu no Zemes līdz sistēmai. Apvienošanās arī izstaroja gaismas sprādzienu, kuru astronomi varēja analizēt ar zemes un kosmosa teleskopiem, lai noteiktu sistēmas ātrumu.
Ieguvuši abus mērījumus, zinātnieki aprēķināja Habla konstanta jaunu vērtību. Tomēr aplēse bija ar salīdzinoši lielu nenoteiktību - 14%, kas bija daudz nenoteiktāka nekā vērtības, kas aprēķinātas, izmantojot Habla un Plankas aprēķinus.
Vitale saka, ka liela daļa nenoteiktības izriet no fakta, ka ir grūti interpretēt attālumu no binārās sistēmas līdz Zemei, izmantojot šīs sistēmas radītos gravitācijas viļņus.
"Mēs mēra attālumu, skatoties, cik" skaļš "ir gravitācijas vilnis, tas ir, cik tīri ir mūsu dati par to," saka Vitale. “Ja viss ir skaidrs, jūs varat redzēt, ka tas ir skaļš, un noteikt attālumu. Bet tas tikai daļēji attiecas uz binārajām sistēmām."
Patiesībā šīs sistēmas, kas, attīstoties divu neitronu zvaigžņu dejai, rada virpuļojošu enerģijas disku, nevienmērīgi izstaro gravitācijas viļņus. Lielāko daļu gravitācijas viļņu šauj no diska centra, bet daudz mazāk - no malām. Ja zinātnieki atklāj “skaļu” gravitācijas viļņu signālu, tas var norādīt uz vienu no diviem scenārijiem: atklātie viļņi ir dzimuši sistēmas malās, kas atrodas ļoti tuvu Zemei, vai viļņi nāk no daudz tālākas sistēmas centra.
"Bināro zvaigžņu sistēmu gadījumā ir ļoti grūti atšķirt šīs divas situācijas," saka Vitale.
Jauns vilnis
2014. gadā, pat pirms LIGO atklāja pirmos gravitācijas viļņus, Vitale un viņa kolēģi novēroja, ka melnā cauruma un neitronu zvaigznes binārā sistēma varētu nodrošināt precīzāku attāluma mērīšanu nekā binārās neitronu zvaigznes. Komanda pētīja, cik precīzi var izmērīt melnā cauruma rotāciju, ja vien šie objekti uz savas ass, tāpat kā Zeme, griežas tikai ātrāk.
Pētnieki ir modelējuši dažādas melno caurumu sistēmas, tostarp melnā cauruma-neitronu zvaigžņu sistēmas un binārās neitronu zvaigžņu sistēmas. Pa ceļam tika atklāts, ka attālumu līdz melnajam caurumam - neitronu zvaigžņu sistēmas var noteikt precīzāk nekā līdz neitronu zvaigznēm. Vitale saka, ka tas ir saistīts ar melnā cauruma vērpšanu ap neitronu zvaigzni, jo tas palīdz labāk noteikt, no kurienes sistēmā nāk gravitācijas viļņi.
"Precīzāka attāluma mērīšanas dēļ es domāju, ka binārās melnā cauruma-neitronu zvaigžņu sistēmas varētu būt labāks atskaites punkts Habla konstantes mērīšanai," saka Vitale. "Kopš tā laika ar LIGO ir noticis daudz un atklāti gravitācijas viļņi, tāpēc tas viss izplēnēja otrajā plānā."
Vitale nesen atgriezās pie sava sākotnējā novērojuma.
"Līdz šim cilvēki ir devuši priekšroku binārām neitronu zvaigznēm kā veidu, kā izmērīt Habla konstanti, izmantojot gravitācijas viļņus," saka Vitale. "Mēs esam parādījuši, ka pastāv vēl viens gravitācijas viļņu avots, kas iepriekš nav pilnībā izmantots: melnie caurumi un neitronu zvaigznes dejo apkārt. LIGO atkal sāks vākt datus 2019. gada janvārī un kļūs daudz jutīgāks, kas nozīmē, ka mēs varam redzēt attālākus objektus. Tāpēc LIGO varēs redzēt vismaz vienu melnā cauruma un neitronu zvaigznes sistēmu vai labāk visas divdesmit piecas, un tas, cerams, tuvākajos gados palīdzēs atrisināt esošo spriedzi Habla konstanta mērīšanā.
Iļja Khels