Стандартные сирены Вселенной

http://www.preposterousuniverse.com/blog/2017/10/16/standard-sirens/
  • Перевод
Все совершенно справедливо обрадовались самому новому из открытий в области гравитационных волн. Обсерватория LIGO, к которой недавно присоединился её европейский партнёр VIRGO, до этого наблюдала гравитационные волны сливающихся чёрных дыр. Что очень круто, но и выглядит довольно одиноко — чёрные дыры чёрные, поэтому у них мы можем наблюдать только гравитационные волны, и мало что ещё. Поскольку текущие наши обсерватории по обнаружению гравиволн не очень хорошо справляются с определением расположения источника на небе, мы вообще не могли даже сказать, в какой именно галактике, к примеру, произошло зафиксированное событие.

Но всё изменилось после запуска эры астрономии, способной обнаруживать сразу гравитационное и электромагнитное излучение из одного источника. Обнаруженное событие было слиянием двух нейтронных звёзд, а не чёрных дыр, и вся эта материя, сходящаяся вместе в гигантском столкновении, залила небо сиянием множества длин волн одновременно.


Только взгляните на все эти разные обсерватории, все эти длины волн электромагнитного излучения! Радио, инфракрасный, оптический, ультрафиолетовый, рентгеновский, гамма-диапазон — это полный спектр с астрономической точки зрения.

Из этого события произрастёт множество передовых научных достижений — см., к примеру, эту работу. Некоторые люди весьма взбудоражены тем фактом, что это событие породило огромное количество золота, в несколько раз превышающее Землю по массе. Но это мой блог, поэтому я буду освещать аспект этого события, имеющий отношение ко мне: использование «стандартных сирен» для измерения расширения Вселенной.

Мы уже неплохо справляемся с измерениями расширения Вселенной при помощи шкалы расстояний в астрономии. В ней расстояния измеряются постепенно, шаг за шагом, сначала через определение расстояний до ближайших звёзд, затем через переход к более удалённым скоплениям, и так далее. Работает он хорошо, но, естественно, подвержен накоплению ошибок в процессе. Новый тип наблюдений гравитационных волн даёт нам нечто иное, позволяя перепрыгнуть через всю эту шкалу расстояний и получить независимое измерение расстояния до космологических объектов.

Одновременное наблюдение гравитационных и электромагнитных волн — критически важная часть идеи. Вы пытаетесь сравнить две вещи: расстояние до объекта и видимую скорость, с которой он удаляется от вас. Обычно со скоростью всё просто: вы измеряете красное смещение света, что легко сделать, имея на руках электромагнитный спектр объекта. Но имея лишь гравитационные волны, этого сделать нельзя — в спектре недостаточно структуры для измерения красного смещения. Поэтому взрыв нейтронных звёзд был так важен для нас; в случае с GW170817 мы впервые смогли определить точное красное смещение удалённого источника гравитационных волн.

Измерение расстояний — сложный момент, и тут гравитационные волны предлагают нам новую технику. Обычная общепринятая стратегия — определять «стандартные свечи», то есть, объекты, о собственной яркости которых вы можете делать обоснованные выводы. Сравнив её с наблюдаемой яркостью, вы можете рассчитать расстояние. К примеру, для открытия ускоренного расширения Вселенной астрономы использовали сверхновые типа Ia.

Гравитационные волны не предоставляют стандартных свечей — у каждого из объектов будет своя внутренняя гравитационная «яркость» (количество излучаемой энергии). Но изучая то, как именно эволюционирует источник света — характерную линейно-частотную модуляцию гравитационных волн двух объектов, быстро сближающихся по спирали — можно подсчитать их общую яркость. Вот ЛЧМ для GW170817, сравниваемый с другими открытыми нами источниками — гораздо больше данных, почти целая минута!



И вот у нас есть расстояние и красное смещение безо всякой шкалы расстояний! Это важно по очень многим причинам. Независимый способ измерения космических расстояний, к примеру, позволит нам измерять свойства тёмной материи. Вы также могли слышать о существовании различий между разными способами измерения константы Хаббла, что означает, что либо кто-то делает небольшую ошибку, либо мы как-то очень сильно ошибаемся в наших взглядах на Вселенную. Получение независимого способа проверки расчётов поможет нам разобраться в этом. Только из единственного события мы уже можем сделать вывод, что константа Хаббла равна 70 км/с/Мпк, хотя и с довольно большой погрешностью (+12, -8 км/с/Мпк). Но точность будет увеличиваться при сборе дополнительных данных.

А вот и моя крохотная роль в этой истории. Идея использования источников гравитационных волн в качестве стандартных сирен была высказана Бернардом Шутцем ещё в 1986 году. Но с тех пор её серьёзно переработали, особенно мои друзья Дэниел Холц и Скотт Хьюз. Об этой идее Дэниел рассказывал мне много лет назад, и они со Скоттом писали одну из самых первых работ по теме. Я немедленно сказал: «Вы просто обязаны назвать эти штуки „стандартными сиренами“. Так и родилось полезное обозначение.

К несчастью, мой коллега по Калтеху, Стерл Финни, одновременно со мной предложил такое же название, как указывается в работе в секциях с благодарностями. Но это ничего; когда вклад настолько мал, его и разделить не жалко.

А вот заслуги физиков и астрономов, сумевших осуществить это наблюдение, и многих других, внёсших свой вклад в теоретическое понимание вопроса, действительно весомы. Поздравляю всех упорно трудившихся, открывших новый способ изучения Вселенной.

Шон Майкл Кэрролл — американский космолог, специализирующийся на тёмной энергии и общей теории относительности.
Поделиться публикацией
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 11
  • +4
    то самое чувство, когда ты пять (больше?) лет назад на конференции рассказывал по случаю астроному (астрофизику?) о новой гипотезе об основном процессе появления тяжелых металлов (золота etc) в Галактике (как результат слияния нейтронных звезд, а не r-процесса (появился был расчет, что слияний как раз хватит для схождения с оценками кол-ва тяжелых металлов)), и слышал недоверие в его вопросах. И теперь…
    • +2
      Также посмеивались над передовой теорией того времени, что динозавры родственники птиц, в первом фильме Парк Юрского Периода )
      • 0
        Птицы не родственники динозавров, они и есть динозавры.

    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
    • 0

      Мне всегда было интерено, может кто пояснит.
      Вот бахнуло, образовалось куча элементов выше железа… золото там всякое, разлетелось это все в разные стороны…
      Как оно потом в золотые самородки-то собирается на планете — если там все на отдельные атомы разлетелось !!!!??? Или оно там прямо кусками "по пол планеты" превращалось? А потом уже куски дробились на помельче ?

      • –1
        Как по мне, разные химические соединения при остывании любой раплавленной массы распредлеяются согласно плотности (действующая сила int_PdS). Куски массой по «полпланеты» в газообразном виде образуются при коллапсе звезд (массой явно больше красного калика типа Солнца).
        • 0
          Когда когда-нибудь потом кусок такого облака из газа и пыли выброшенные при слиянии нейтронных звезд или при взрыве крупной сверхновой звезды (где тоже образуются элементы тяжелее железа) начинает собираться в кучку и сжиматься собственной гравитацией, то гравитационной(потенциальной) энергии с запасом хватает для достижения температур выше точек плавления.
        • 0
          Интересно, спасибо.

          Я так понял, скорость гарвитационных волн, вроде как измерили и она равна скорости света. Опять же, согласно общей теории относительности она не может быть больше. Теперь вопрос, если свет не может покинуть черную дыру, то почему гравитационные волны имеющие ту же скорость покидают черную дыру? Или я что-то путаю?

          Спасибо.
            • +1

              Гравитационные волны, что мы наблюдаем в LIGO, рождаются за пределами горизонта событий (на самом деле, на самом горизонте), поэтому, распространяясь со скоростью света, они вполне могут убежать от черной дыры. Какие-то ГВ могут рождаться и внутри горизонта событий, но тогда они его никогда не покидают, и мы их не наблюдаем.

            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

            Самое читаемое