Столкновения нейтронных звезд проливают свет на расширение Вселенной

Институт Нильса Бора предлагает использовать килоновы (взрывы, возникающие в результате слияния нейтронных звезд) для устранения расхождений в измерении скорости расширения Вселенной. Первоначальные результаты являются многообещающими, но для их подтверждения необходимы дополнительные случаи.

В последние годы астрономия пережила своего рода кризис: хотя мы знаем, что Вселенная расширяется, и хотя мы примерно знаем, насколько быстро она движется, два фундаментальных способа измерения этого расширения не согласуются друг с другом. Теперь астрофизики из Института Нильса Бора предлагают новый метод, который может помочь разрешить это противоречие.

Вселенная расширяется

Мы знаем это с тех пор, как Эдвин Хаббл и другие астрономы около 100 лет назад измерили скорости ряда окружающих галактик. В результате этого расширения галактики во Вселенной «раздвигаются» и поэтому удаляются друг от друга.

Чем больше расстояние между двумя галактиками, тем быстрее они движутся друг от друга, и точная скорость этого движения является одной из самых фундаментальных величин в современной космологии. Число, описывающее расширение, называется постоянной Хаббла и появляется во многих различных уравнениях и моделях Вселенной и ее компонентов.

Галактики более или менее стационарны в космосе, но само пространство расширяется. Это заставляет галактики удаляться друг от друга с постоянно возрастающей скоростью. Однако насколько именно быстро остается загадкой. Кредит: ИСО/Л. Калада. Галактики более или менее стационарны в космосе, но само пространство расширяется. Это заставляет галактики удаляться друг от друга с постоянно возрастающей скоростью. Однако то, насколько быстро, остается загадкой. Кредит: ИСО/Л. Калада

Проблема Хаббла

Чтобы понять Вселенную, мы должны знать постоянную Хаббла как можно точнее. Есть несколько способов его измерить; Эти методы независимы друг от друга, но, к счастью, дают почти одинаковый результат.

То есть это почти…

В принципе, самый простой интуитивный способ понимания — это тот же метод, который Эдвин Хаббл и его коллеги использовали сто лет назад: определение местоположения группы галактик и измерение их расстояний и скоростей. На практике это делается путем поиска галактик с взрывающимися звездами или так называемых Сверхновые. Этот метод дополняется другим методом, анализирующим нарушения в так называемых Космическое фоновое излучение; Древняя форма света, возникшая вскоре после великий взрыв.

Два метода — метод сверхновой и метод фонового излучения — всегда давали несколько разные результаты. Но любое измерение сопряжено с неопределенностями, а несколько лет назад неопределенности были достаточно велики, чтобы винить в этом различия.

В левом полушарии виден расширяющийся остаток сверхновой, открытой Тихо Браге в 1572 году, видимый здесь в рентгеновских лучах (источник: NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.). Справа — карта космического фонового излучения, исходящего от половины неба, которое наблюдается в микроволнах. Фото: Научная группа НАСА/WMAP.

Однако по мере совершенствования методов измерения неопределенности уменьшились, и сейчас мы достигли точки, когда можем с высокой степенью уверенности заявить, что ни то, ни другое не может быть правдой.

Корень этой «проблемы Хаббла» – являются ли неизвестные эффекты систематически искажающими один из результатов, или же они указывают на новую физику, которая еще не открыта – в настоящее время является одной из самых горячих тем в астрономии.

Устойчивый парадокс Хаббла

Расширение Вселенной измеряется «скоростью на расстояние», которая составляет чуть более 20 километров в секунду на миллион световых лет. Это значит, что галактика, расположенная на расстоянии 100 миллионов световых лет, удаляется от нас со скоростью 2000 км/с, а другая галактика, находящаяся на расстоянии 200 миллионов световых лет, удаляется от нас со скоростью 4000 км/с.

Однако использование сверхновых для измерения расстояний и скоростей галактик дает результат 22,7 ± 0,4 км/с, а анализ космического фонового излучения — 20,7 ± 0,2 км/с.

Обращать внимание на такое незначительное разногласие может показаться скучным, но это может быть очень важно. Например, это число появляется при вычислении возраста Вселенной, и оба метода дают возраст 12,8 и 13,8 миллиардов лет соответственно.

Килонова: новый подход к измерениям

Одна из самых больших проблем заключается в точном определении расстояний до галактик. Но в новом исследовании Альберт Сниппен, докторант астрофизики Центра космического рассвета Института Нильса Бора в Копенгагене, предлагает новый способ измерения расстояний, который может помочь разрешить продолжающийся спор.

«Когда две чрезвычайно компактные нейтронные звезды, которые сами являются остатками сверхновых, вращаются вокруг друг друга и в конечном итоге сливаются, они взрываются в новом взрыве; это называется килоновой новой», — объясняет Альберт Снепен. «Недавно мы показали, насколько удивительно симметричен этот взрыв, и он Оказывается, «Эта симметрия не только красива, она еще и невероятно полезна».

в Третье исследование Только что опубликованный плодотворный аспирант демонстрирует, что килоновые, хотя и сложные, могут быть описаны с помощью одной температуры. Оказывается, симметрия и простота килоновой позволяют астрономам точно определить, сколько света она излучает.

Сравнивая эту яркость с количеством света, достигающего Земли, исследователи могут рассчитать, насколько далеко находится килоновая. Таким образом, они получили новый, независимый метод расчета расстояний до галактик, содержащих килоновые.

Дарач Уотсон — доцент Центра «Космический рассвет» и соавтор исследования. «Сверхновые, которые до сих пор использовались для измерения расстояний между галактиками, не всегда излучают одинаковое количество света, — объясняет он. — Более того, они сначала требуют от нас калибровки расстояния с использованием другого типа звезд, называемых цефеидами. которые, в свою очередь, также должны быть откалиброваны». Используя килоновые, мы можем обойти эти сложности, которые вызывают неопределенность в измерениях.

Предварительные результаты и дальнейшие шаги

Чтобы доказать свой потенциал, астрофизики применили этот метод к килоновой, открытой в 2017 году. В результате получается постоянная Хаббла, более близкая к методу фонового излучения, но способен ли метод килоновой решить проблему Хаббла, исследователи пока не решаются сказать:

«На данный момент у нас есть только одно тематическое исследование, и нам нужно больше примеров, прежде чем мы сможем прийти к убедительному выводу», — предупреждает Альберт Снебен. «Но наш метод обходит, по крайней мере, некоторые известные источники неопределенности и является очень «чистой» системой для изучения. Он не требует никакой калибровки или поправочного коэффициента.

Ссылка: «Измерение постоянной Хаббла в килоноватах с использованием метода расширяющейся фотосферы» Альберта Снепена, Дараха Уотсона, Дови Познанского, Оливера Гаста, Андреаса Баушина и Радослава Войтака, 2 октября 2023 г., Астрономия и астрофизика.
дои: 10.1051/0004-6361/202346306