Астрофізики з Індії та Японії запропонували новий спосіб вимірювання постійної Хаббла, який заснований на детектуванні гравітаційних хвиль, випромінюваних при злитті подвійних систем чорних дір, і зіставленні розподілу таких подій з відомим розподілом галактик. За оцінками вчених, при поточній чутливості детекторів похибки близько восьми відсотків можна буде досягти всього за 25 детектувань гравітаційних хвиль. Стаття опублікована в, препринт роботи викладено на сайті arXiv.org.
Наприкінці 1930-х років американський астроном Едвін Хаббл виявив, що всі спостережувані галактики «розбігаються» в різні боки від Землі, причому швидкість видалення конкретної галактики прямо пропорційна відстані до неї. Зараз цей закон називається законом Хаббла, а постійна - постійною Хаббла. Вимірюючи за цефеїдами відстань до сусідніх галактик і порівнюючи її з червоним зміщенням зірок, астроном отримав значення 0 ^ 500 кілометрів на секунду на мегапарсек. Докладніше про вимірювання відстаней у космосі, в тому числі про метод «стандартних свічок» - цефеїд - можна прочитати в нашому матеріалі «Зірка з зіркою говорить». Правда, Хаббл отримав не зовсім вірне значення постійної: сучасне, скориговане значення приблизно в сім разів менше (0 ^ 70 кілометрів на секунду на мегапарсек). Така велика розбіжність пояснюється тим, що 80 років тому астрономи некоректно розраховували відстань до цефеїду (поправки на поглинання тоді ще не були відкриті).
Втім, зі збільшенням точності вимірювань постійної Хаббла вчені зіткнулися з проблемою: виявилося, що різні способи її визначення призводять до різних результатів, що суперечать один одному. Так, наприклад, вимірювання кутової роздільної здатності коливань реліктового випромінювання, виконане космічною обсерваторією «Планк», дає значення 0 = 67,6. 0,6 кілометрів на секунду на мегапарсек, а зіставлення відстані і червоного зміщення віддалених наднових призводить до величини 0 = 73. 2 кілометрів на секунду на мегапарсек. Виходить, що розбіжність між значеннями постійної становить більше трьох стандартних відхилень (3º), тобто їх не можна списати на статистичну похибку. Це розбіжність - одна з великих проблем сучасної астрофізики. У таких умовах розробка нового методу вимірювання постійної Хаббла допомогла б уточнити дані і, можливо, вирішила б протиріччя.
Група астрофізиків під керівництвом Тарун Сайні (Tarun Deep Saini) запропонувала такий метод і перевірила його працездатність за допомогою чисельного моделювання. Основний об'єкт досліджень у новому методі - це гравітаційні хвилі, що випромінюються подвійними системами зливаються нейтронних зірок або чорних дір. Насправді, за виглядом гравітаційного сигналу можна точно визначити відстань до системи, а останні досягнення в області гравітаційної астрономії обіцяють, що навіть при поточному рівні детекторів подібні реєстрації будуть відбуватися досить часто - за останні три роки вчені зловили шість гравітаційних хвиль. На жаль, більшість цих хвиль прийшли від систем чорних дір, які не виробляють видимого випромінювання - а значить, визначити їх червоне зміщення і розрахувати постійну Хаббла неможливо. З іншого боку, для зменшення статистичної похибки результату потрібно зібрати якомога більше даних. Єдина подія, що супроводжувалася спалахом у гамма-діапазоні, дозволяє отримати похибку близько 15 відсотків (0 = 70 ^ 10 кілометрів на секунду на мегапарсек), тобто марно для уточнення постійної Хаббла.
Проте, вчені придумали, як вирішити цю проблему. Звичайно, точно встановити положення окремої системи чорних дір, що зливаються, не можна, оскільки маса її компонент заздалегідь невідома. У той же час, одночасне використання трьох гравітаційних детекторів - два детектори LIGO і один детектор Virgo - дозволяє встановити напрямок на джерело, хоча і дуже грубо. Тому, збираючи досить багато даних по злиттях і враховуючи приблизні напрямки на джерела, можна побудувати «чорнову» карту розподілу систем по небесній сфері. У той же час, ми точно знаємо, що всі такі системи знаходяться всередині галактик. Отже, накладаючи «чорнову» карту на відому карту галактик і «підкручуючи» червоне зміщення кожної системи так, щоб розподілення збіглися, можна досить точно оцінити червоне зміщення окремих систем - а потім розрахувати для них постійну Хаббла. Звичайно, якби галактики і чорні діри були рівномірно розподілені по небесній сфері, такий спосіб був би марним, тому що зіставити карти було б неможливо. На щастя, в дійсності галактики збираються в групи і утворюють добре різні протяжні структури (філаменти), розділені областями порожнього простору, а тому карти повинні бути взаємно скорельовані.
Щоб перевірити цю ідею, вчені чисельно змоделювали гравітаційні хвилі від подвійних систем чорних дір сонячної маси, які були випадково розкидані за відомими галактиками, взятими з каталогу SDSS і віддаленими від Землі не більш ніж на мільярд парсек. Потім дослідники спробували відновити червоне зміщення систем за допомогою розробленої ними програми, яка покладалася на байєсівський підхід, тобто порівнювала передбачуваний розподіл зі спостережуваним і максимізувала збіг. В результаті виявилося, що при поточному рівні детекторів вченим достатньо буде зібрати дані по 25 гравітаційним хвилям, щоб визначити постійну Хаббла з точністю близько восьми відсотків, а при подальшому зборі статистики похибка вимірювань зменшиться ще сильніше і зрівняється з похибкою стандартних методів. Враховуючи поточні темпи збору статистики обсерваторіями LIGO/Virgo, визначення постійної Хаббла за допомогою запропонованого методу займе від десяти до п'ятдесяти років, проте запуск більш чутливих детекторів третього покоління (таких як ET або LISA) істотно прискорить цей процес.
У червні 2016 року американські астрофізики уточнили значення постійної Хаббла, розрахованої за червоним зміщенням видимих галактик, і отримали величину 0 = 73,25. 1,75 кілометрів на секунду на мегапарсек - майже на 10 відсотків більше значення, виміряного супутником «Планк». А в листопаді 2017 року астрофізики спробували усунути розбіжність між значеннями постійної Хаббла, що визначаються за гравітаційним лінзуванням галактик і за реліктовим випромінюванням, враховуючи при розрахунках кінцівку розміру лінзуючих об'єктів. Втім, від цього стало тільки гірше - перераховане значення 0 = 73. 3 кілометрів на секунду на мегапарсек стало ще більше відрізнятися від результатів спостереження супутника «Планк».