Космологические связи и проверка теории относительности
Завершая цикл о новом каталоге LIGO-Virgo-KAGRA, мы переходим от единичных астрофизических событий к глобальным вопросам. Что гравитационные волны могут рассказать о ранней Вселенной, геометрии пространства-времени и постоянной Хаббла.
Ссылка на часть 1. Ссылка на часть 2.
Анализируя новые данные, учёные начали выявлять статистические закономерности, описывающие чёрные дыры не как единичные объекты, а как целые популяции.
"Например, этот массив данных укрепил нашу гипотезу о том, что чёрные дыры, сливавшиеся на ранних этапах истории Вселенной, с большей вероятностью обладали высокими спинами (вращением) по сравнению с теми, что сливались позднее", — поясняет Сальваторе Витале (Salvatore Vitale), доцент физики MIT и сотрудник лаборатории LIGO.
Это наблюдение ставит перед астрофизиками серьезный вопрос о том, какие именно условия в ранней Вселенной способствовали раскручиванию этих массивных объектов.
Новые сигналы также предоставили возможность в очередной раз проверить Общую теорию относительности Альберта Эйнштейна, описывающую гравитацию как геометрическое искривление пространства и времени.
"Черные дыры являются одним из самых знаковых и поражающих воображение предсказаний Общей теории относительности, — отмечает Аарон Циммерман (Aaron Zimmerman), доцент физики Техасского университета в Остине. - Когда они сливаются, они сотрясают пространство и время с интенсивностью, превосходящей почти любой другой процесс, доступный нашему наблюдению. Проверяя физические теории, целесообразно обращаться к самым экстремальным условиям, поскольку именно там теоретические модели с наибольшей вероятностью могут дать сбой, и именно там кроется наилучший шанс для новых открытий".
Для проверки теории Эйнштейна физики использовали сигнал GW230814_230901, который является одним из самых громких (высокоамплитудных) среди наблюдавшихся до сих пор. Исключительная чёткость сигнала позволила детально проанализировать его форму на предмет любых отклонений от теоретических предсказаний. Сигнал блестяще прошел большинство проверок, подтвердив правоту Эйнштейна, однако продемонстрировал эффект того, как инструментальный и фоновый шум может усложнять анализ в подобных экстремальных сценариях.
"Пока теория выдерживает все наши проверки, - констатирует Циммерман. - Но мы также понимаем, что нам необходимо создавать еще более точные теоретические модели, чтобы не отставать от того объема данных, который предоставляет нам Вселенная".
Обновленный каталог также помогает подойти к решению одной из главных загадок современной космологии - с какой скоростью Вселенная расширяется сегодня? Учёные пытаются ответить на этот вопрос, измеряя величину, известную как постоянная Хаббла. Проблема заключается в том, что разные методы измерений, опирающиеся на различные астрофизические источники (например, на сверхновые звёзды или реликтовое излучение), дают расходящиеся значения.
Гравитационные волны предлагают альтернативный и независимый метод измерения. В космологии их называют стандартными сиренами, поскольку параметры волны позволяют напрямую и относительно просто вычислить физическое расстояние от Земли до источника.
"Сливающиеся чёрные дыры обладают уникальным свойством. Мы можем определить расстояние до них, просто анализируя сам сигнал, - объясняет Рейчел Грей (Rachel Gray), преподаватель из Университета Глазго, занимавшаяся интерпретацией космологических данных. - Таким образом, каждое слияние даёт нам отдельное измерение постоянной Хаббла. Объединив данные от всех источников гравитационных волн, мы можем существенно повысить точность этого измерения".
На основе анализа всех зарегистрированных событий каталога LVK учёные получили новую оценку постоянной Хаббла. Согласно этим данным, Вселенная расширяется со скоростью примерно 76 километров в секунду на мегапарсек (один мегапарсек соответствует расстоянию около 3,26 миллиона световых лет).
"Наш метод находится на ранней стадии развития, и мы ожидаем значительного повышения точности по мере обнаружения новых источников", - добавляет Грей.
"Каждая новая зарегистрированная гравитационная волна позволяет нам собрать ещё один фрагмент космической головоломки такими способами, которые были недоступны всего десятилетие назад, - подводит итог Люси Томас (Lucy Thomas), научный сотрудник лаборатории LIGO в Калифорнийском технологическом университете. - Невероятно захватывающе думать о том, какие ещё астрофизические тайны и сюрпризы мы сможем раскрыть в ходе будущих наблюдательных кампаний".