Автор: Денис Аветисян
Астрономы объединили данные гравитационных волн и масштабных галактических обзоров для уточнения ключевой космологической константы.
Измерение постоянной Хаббла проведено с использованием каталога галактик Dark Energy Survey Year 6 Gold и четвертого каталога гравитационно-волновых событий, обеспечив 13%-ное улучшение точности.
Несмотря на продолжающиеся усилия по точному определению скорости расширения Вселенной, расхождения в результатах, полученных различными методами, остаются значительной проблемой. В работе ‘Measurement of the Hubble constant using the Dark Energy Survey Year 6 Gold galaxy catalog and the fourth Gravitational-Wave Transient Catalog’ представлено независимое измерение постоянной Хаббла H_0 с использованием гравитационных волн от слияний компактных объектов («темные сирены») в сочетании с фотометрическим каталогом галактик Dark Energy Survey Year 6 Gold. Полученные оценки составляют H_0 = 70.9^{+22.3}_{-{18}.6}\;\text{км}\;\text{с}^{-1}\;\text{Мпк}^{-1} для «темных сирен» и 73.1^{+11.7}_{-8.6}\;\text{км}\;\text{с}^{-1}\;\text{Мпк}^{-1} при комбинировании с яркой сиреной GW170817, что демонстрирует улучшение точности на 13% по сравнению с предыдущими анализами. Каким образом будущие обзоры галактик, обладающие большей глубиной и охватом, позволят еще более точно определить постоянную Хаббла и разрешить существующие космологические напряжения?
Космические Отголоски: Новый Стандарт Измерения Расстояний
Исторически сложилось так, что определение скорости расширения Вселенной, так называемой постоянной Хаббла, опиралось на сложные и потенциально смещенные методы. Традиционные подходы, такие как измерение расстояний до далеких сверхновых или использование космического микроволнового фона, требуют калибровки с помощью «лестницы космических расстояний» — серии взаимосвязанных измерений, каждое из которых зависит от предыдущего. Неопределенности, накапливающиеся на каждом этапе этой «лестницы», приводят к существенным расхождениям в оценках постоянной Хаббла, полученных разными методами. Более того, эти методы требуют определенных предположений о физических процессах, происходящих во Вселенной, что может вносить систематические ошибки. В результате, определение точного значения постоянной Хаббла оставалось одной из ключевых проблем современной космологии, требующей поиска принципиально новых, независимых методов измерения.
Гравитационные волны, предсказанные Альбертом Эйнштейном более ста лет назад и впервые обнаруженные в 2015 году, представляют собой совершенно новый способ измерения расстояний во Вселенной. В отличие от традиционных методов, основанных на анализе яркости сверхновых или космического микроволнового фона, которые требуют сложных калибровок и подвержены систематическим ошибкам, гравитационные волны позволяют определять расстояния напрямую, исходя из амплитуды сигнала. Эти возмущения в пространстве-времени, возникающие при столкновении черных дыр или нейтронных звезд, распространяются со скоростью света и не искажаются материей, что обеспечивает независимую и высокоточную оценку космологических расстояний. Такой подход, известный как использование «стандартных сирен», открывает уникальную возможность проверить и уточнить существующие модели расширения Вселенной и разрешить текущие противоречия в определении постоянной Хаббла H_0.
Обнаружение гравитационных волн, возникающих при слиянии компактных двойных систем, таких как нейтронные звезды или черные дыры, знаменует собой начало новой эры в космологических измерениях. Эти события, известные как “стандартные сирены”, позволяют определять расстояния до далеких галактик, используя амплитуду гравитационного сигнала — чем ярче сигнал, тем ближе источник. В отличие от традиционных методов, зависящих от калибровки расстояний до объектов, таких как цефеиды или сверхновые, “стандартные сирены” предоставляют полностью независимый способ измерения космологических расстояний. Это позволяет с большей точностью определить постоянную Хаббла H_0, характеризующую скорость расширения Вселенной, и проверить существующие космологические модели, а также пролить свет на природу темной энергии и темной материи.
Стандартные Сирены: Измеряя Расстояния с Помощью Гравитационных Волн
Метод «Стандартных Сирен» основывается на одновременном измерении светимости источника — его кажущейся яркости, наблюдаемой с Земли — и красного смещения. Красное смещение характеризует степень растяжения световых волн вследствие расширения Вселенной и позволяет определить расстояние до источника. Светимость, являясь абсолютной яркостью объекта, устанавливается через характеристики источника, например, для сверхновых. Комбинируя измеренную светимость и красное смещение, можно вычислить расстояние до объекта и, следовательно, определить значение постоянной Хаббла H_0, характеризующей скорость расширения Вселенной.
Комбинируя измерения светимости источника (luminosity distance) и красного смещения (redshift), астрономы могут вывести значение постоянной Хаббла H_0. Светимость характеризует истинную яркость источника, а красное смещение — степень растяжения света из-за расширения Вселенной. Зная эти параметры, можно установить зависимость между расстоянием до объекта и скоростью его удаления, что позволяет определить H_0. Использование метода «Стандартных Сирен» предоставляет независимую оценку постоянной Хаббла, позволяя проверить и сопоставить ее с результатами, полученными другими методами, такими как метод цефеид или метод сверхновых типа Ia.
Обнаружение гравитационно-волнового события GW170817, сопровождавшегося электромагнитным излучением, стало первым надежным применением метода «Стандартных Сирен». GW170817 представляло собой слияние двух нейтронных звезд, и благодаря одновременной регистрации как гравитационных волн, так и гамма-всплеска, удалось независимо измерить расстояние до этого события. Комбинирование измерения светимости источника (определяемой по электромагнитному излучению) и красного смещения позволило астрономам получить оценку постоянной Хаббла H_0 с высокой точностью, предоставив независимую проверку результатов, полученных другими методами, такими как метод цефеид.
Тёмные Сирены: Расширяя Горизонты с Помощью Галактических Каталогов
Метод «Темных Сирен» позволяет оценивать светимости гравитационно-волновых событий даже при отсутствии прямых измерений красного смещения. Вместо этого, он использует статистическую связь между источниками гравитационных волн и галактиками, зарегистрированными в крупных каталогах. Определение светимости, основанное на этой корреляции, позволяет вычислить расстояние до источника, минуя необходимость в спектроскопическом определении красного смещения для каждого события. Это особенно важно для событий, для которых прямое измерение красного смещения затруднено или невозможно из-за неопределенности местоположения источника на небе.
Метод определения расстояний до источников гравитационных волн, известный как ‘Dark Siren’, предполагает статистическую ассоциацию событий с галактиками, зафиксированными в масштабных каталогах. В частности, используется каталог галактик Dark Energy Survey (DES), содержащий данные о миллиардах галактик. Анализ заключается в определении вероятности того, что сигнал гравитационной волны пришел из конкретной галактики, основываясь на положении источника на небе и красном смещении галактики. Статистическая обработка данных позволяет оценить расстояние до источника гравитационной волны даже при отсутствии прямого измерения красного смещения, что расширяет возможности космологических исследований.
В ходе исследования, объединившего анализ «темных сирен» с каталогом галактик Dark Energy Survey Year 6 Gold, была достигнута 5%-ная улучшение точности определения постоянной Хаббла. Полученное значение постоянной Хаббла составило 73.1_{-8.6}^{+11.7} км/с/Мпк. Использование данного каталога позволило статистически сопоставить источники гравитационных волн с галактиками, что позволило оценить светимости расстояний без непосредственного измерения красного смещения и повысить точность определения ключевого космологического параметра.
GWTC-4.0 и За Ею: Будущее Прецизионной Космологии
Каталог гравитационных волн GWTC-4.0 знаменует собой существенный прогресс в количестве и качестве зарегистрированных событий. Предыдущие каталоги, хотя и важны для подтверждения существования гравитационных волн и изучения свойств источников, содержали ограниченное число сигналов, затруднявшее статистический анализ. GWTC-4.0, в свою очередь, включает в себя значительно большее количество событий — как сигналов от слияния черных дыр, так и, что особенно важно, от слияний нейтронных звезд. Это увеличение объема данных позволяет проводить более точные измерения астрофизических параметров источников, а также углубленно исследовать распределение масс и скоростей вращения черных дыр. Кроме того, повышенное качество сигналов, достигнутое благодаря улучшенным детекторам и алгоритмам обработки данных, позволяет выявлять более слабые и удаленные события, расширяя горизонт наблюдаемой Вселенной и открывая новые возможности для космологических исследований.
Накопление данных из каталога GWTC-4.0, в сочетании с применением передовых статистических методов, открывает возможности для все более точного определения постоянной Хаббла и других космологических параметров. Традиционные методы измерения этого важнейшего параметра расширяются благодаря использованию сложных алгоритмов, способных извлекать сигналы из шума и учитывать систематические погрешности. Более того, усовершенствованные статистические модели позволяют извлекать информацию не только из амплитуды гравитационных волн, но и из их формы, что значительно повышает точность оценки расстояний. Подобный подход позволяет не только уточнить текущую оценку постоянной Хаббла, но и более детально изучить эволюцию Вселенной и проверить различные космологические модели. Получаемые данные способствуют углублению понимания природы темной энергии и темной материи, расширяя горизонты современной космологии.
Тёмные сирены, представляющие собой гравитационно-волновые события, в которых не наблюдается электромагнитное излучение, продемонстрировали повышение точности измерения постоянной Хаббла на 5%. В отличие от стандартных сирен, которые требуют обнаружения как гравитационных волн, так и электромагнитного сигнала, тёмные сирены расширяют горизонт наблюдаемых событий, позволяя исследовать более отдаленные уголки Вселенной. Этот подход не просто дополняет существующие методы, но и открывает возможность разрешения противоречий между различными измерениями постоянной Хаббла, полученными традиционными астрономическими способами. Благодаря анализу статистических свойств тёмных сирен, исследователи получают независимую оценку скорости расширения Вселенной, что критически важно для уточнения космологических моделей и понимания природы тёмной энергии.
Исследование, представленное в данной работе, стремится к уточнению фундаментальной космологической константы Хаббла, используя данные гравитационных волн и каталоги галактик. Этот подход, объединяющий различные источники информации, подчеркивает сложность и многогранность изучения Вселенной. Как однажды заметил Стивен Хокинг: «Чем больше мы узнаем Вселенную, тем более невероятной она кажется». Эта фраза отражает суть научного поиска — постоянное стремление к познанию, несмотря на кажущуюся недостижимость абсолютной истины. Улучшение точности на 13% в измерении константы Хаббла демонстрирует, что даже небольшие шаги в науке могут привести к значительным открытиям и пересмотру существующих теорий.
Что дальше?
Представленное исследование, измеряющее постоянную Хаббла посредством гравитационных волн и каталогов галактик, демонстрирует не только прогресс в космологических измерениях, но и фундаментальные ограничения нашего понимания. Улучшение точности на 13% — это, безусловно, значимый шаг, однако, когнитивное смирение исследователя пропорционально сложности нелинейных уравнений Эйнштейна. Каждый новый шаг приближает к истине, но одновременно выявляет горизонты, за которые наше знание не простирается.
Необходимо признать, что использование «тёмных сирен» сопряжено с принципиальными сложностями, связанными с неполнотой статистических выборок и предположениями о распределении галактик. Черные дыры демонстрируют границы применимости физических законов и нашей интуиции. Будущие исследования должны быть направлены на преодоление этих ограничений, возможно, через комбинирование различных методов измерения постоянной Хаббла и разработку новых, более точных моделей эволюции галактик.
В конечном счете, стремление к определению фундаментальных космологических параметров — это не просто научная задача, но и философское упражнение. Каждая измеренная величина — лишь приближение, каждая теория — лишь модель, подверженная ревизии. И в этом, возможно, и заключается истинная красота научного поиска.
Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.04766.pdf
Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/
Смотрите также:
- Нейтрино: Посланники из Глубин Космоса
- Сверхяркие рентгеновские источники: Радиосигналы из глубин галактик
- Галактики на карте звёздообразования: новый взгляд на эволюцию
- Массивные галактики на заре Вселенной: JWST подтверждает стандартную модель
- Космическая паутина и скрытые сигналы: очистка реликтового излучения от искажений
- Тёмная энергия: новый взгляд на ускорение Вселенной
- Поиск хозяев мимолетных звезд: как каталоги галактик помогут LSST
- Скорость гравитации и судьба тёмной энергии: новый взгляд
- Гравитационные волны и космологические загадки: новый взгляд из-за линз
- Карликовые галактики как детектор первичных флуктуаций Вселенной
2026-02-05 10:04