Постоянная Хаббла и рябь пространства-времени: как измерить самое спорное число Вселенной

Пространство между галактиками непрерывно увеличивается, но, несмотря на множество исследований, наука так и не смогла точно измерить темп этого процесса. Долгое время физики использовали два независимых подхода к измерению постоянной Хаббла, ожидая, что по мере совершенствования телескопов их результаты совпадут. Однако произошло обратное. Чем точнее становились инструменты, тем сильнее расходились данные.

Первый подход основан на изучении ранней Вселенной. Исследуя реликтовое излучение — микроволновый фон, оставшийся после Большого взрыва, — физики получают значение около 67 километров в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк). Это означает, что с каждым мегапарсеком расстояния от нас объекты удаляются на 67 километров в секунду быстрее.

Второй подход измеряет параметры поздней, современной Вселенной. Астрономы наблюдают за объектами с известной светимостью — пульсирующими звездами (цефеидами) и взрывами сверхновых определенного типа. Вычисляя расстояния до них и скорость их удаления, исследователи получают совсем другое значение — около 73 км/с/Мпк.

Разрыв между этими цифрами достиг уровня статистической значимости, который исключает возможность погрешности приборов. Так что-либо в одном из методов кроется фундаментальная, пока не обнаруженная ошибка, либо сама стандартная космологическая модель неполна, и в истории расширения Вселенной действуют неизвестные нам силы или частицы.

Чтобы выйти из этого тупика, научному сообществу потребовался принципиально новый способ измерения космологических расстояний. Инструментом, способным дать независимую оценку, стали гравитационные волны.

Физика гравитационных измерений

Гравитационно-волновая астрономия предоставила физикам возможность измерять расстояния до далеких объектов напрямую, минуя сложные цепочки оптических наблюдений. Когда сверхмассивные и плотные объекты, такие как нейтронные звезды или черные дыры, вращаются друг вокруг друга и сливаются, они вызывают возмущения в ткани пространства-времени. Эти возмущения распространяются во все стороны со скоростью света.

Когда гравитационная волна достигает Земли, лазерные интерферометры — детекторы LIGO, Virgo и KAGRA — фиксируют микроскопические изменения длины своих многокилометровых измерительных плеч. Анализируя форму и амплитуду зафиксированного сигнала, физики могут напрямую вычислить, на каком расстоянии от Земли произошло слияние. В астрофизике этот параметр называется фотометрическим расстоянием.

Однако для вычисления постоянной Хаббла одного расстояния недостаточно. Формула требует знания второго параметра — скорости, с которой точка слияния удаляется от наблюдателя из-за расширения Вселенной. Эту скорость вычисляют по красному смещению (параметр z): свет от удаляющегося объекта растягивается, и его спектр смещается в красную сторону.

В 2017 году астрофизики впервые зафиксировали гравитационный сигнал от слияния двух нейтронных звезд. Этот процесс сопровождался мощнейшим выбросом электромагнитного излучения. Наземные и орбитальные телескопы зафиксировали вспышку света, точно определили координаты родительской галактики NGC 4993 и измерили спектр ее излучения, получив точное значение красного смещения. Такие события, в которых гравитационный сигнал подкреплен визуальным подтверждением, получили в научной литературе термин «светлые сирены». Они дают исчерпывающие данные для расчета постоянной Хаббла.

Главная проблема состоит в том, что слияния нейтронных звезд происходят редко. Подавляющее большинство сигналов, которые улавливают детекторы, исходит от слияний пар черных дыр. В отличие от нейтронных звезд, черные дыры не излучают света при столкновении. Детекторы фиксируют гравитационную волну, вычисляют точное расстояние до источника, но не могут указать конкретную точку на небе. Инструменты очерчивают лишь примерную область пространства, площадь которой может составлять сотни квадратных градусов. Внутри этого сектора на заданном расстоянии находятся миллионы различных галактик. Понять визуально, в какой именно из них слились черные дыры, невозможно. В науке такие события называют «темными сиренами».

Долгое время считалось, что из-за отсутствия точных данных о красном смещении «темные сирены» непригодны для прецизионных космологических расчетов. Однако группа исследователей, опубликовавшая детальный анализ данных с детекторов LIGO/Virgo/KAGRA, доказала, что математическая статистика и алгоритмы машинного обучения способны извлечь точное значение постоянной Хаббла даже из таких неполных данных.

Статистический метод обработки невидимых сигналов

Чтобы использовать слияния черных дыр для измерения расширения Вселенной, физики отказались от попыток найти одну истинную галактику-источник. Вместо этого они разработали метод, который присваивает вероятность быть источником каждой галактике в исследуемом объеме пространства.

Исследователи отобрали 17 наиболее качественно локализованных «темных сирен» из последних сеансов наблюдений и наложили полученные координаты на детализированный трехмерный каталог галактик DESI Legacy Survey. Чтобы алгоритм не утонул в миллиардах возможных комбинаций, авторы работы применили три строгих аналитических фильтра, которые позволили отсеять маловероятные варианты и выделить наиболее реалистичные сценарии.

Первым фильтром стало использование нейронных сетей для массового вычисления красного смещения. Чтобы получить точное значение красного смещения классическим способом, необходимо навести оптический телескоп на конкретную галактику и долго изучать ее спектр. Сделать это для миллионов транзитных галактик в зоне гравитационного сигнала технически невыполнимо — на это не хватит времени работы всех телескопов мира.

Поэтому астрофизики применили метод глубокого обучения. Искусственная нейронная сеть была обучена на выборке галактик с уже известными спектрами. Затем алгоритму предоставили обычные фотометрические данные (фотографии галактик в разных фильтрах) из каталога DESI. Нейросеть с высокой степенью надежности вычислила распределение вероятностей красного смещения для каждой галактики в зоне поиска. Это позволило получить необходимые данные о скорости удаления объектов без прямых спектроскопических наблюдений.

Вторым этапом стало взвешивание галактик по их физическим характеристикам. Слияния черных дыр не происходят в случайных местах Вселенной в равных пропорциях. Законы звездной эволюции диктуют строгую корреляцию: чем выше совокупная звездная масса галактики и чем больше в ней происходит процессов звездообразования, тем выше вероятность формирования массивных звезд, которые в конце своего жизненного цикла коллапсируют в черные дыры.

Исследователи интегрировали этот физический закон в математическую модель. Они проанализировали светимость галактик в инфракрасном диапазоне (так называемом r-диапазоне), который служит надежным индикатором звездной массы. Крупным и ярким галактикам алгоритм присваивал высокий статистический вес, рассматривая их как наиболее вероятные места обитания слившихся черных дыр. Тусклые и малые галактики получали минимальный вес и практически исключались из итогового расчета.

Третий фильтр опирался на параметры самих черных дыр. Из предыдущих наблюдений гравитационно-волновой астрономии физики знают, что массы сливающихся черных дыр подчиняются определенным законам популяционного распределения — они не могут иметь произвольный размер. Когда алгоритм сопоставлял гравитационный сигнал с далекой галактикой, он проверял, какие массы черных дыр потребовались бы для создания такого сигнала на таком расстоянии. Если вычисления показывали, что массы объектов выходят за рамки известного распределения популяций (например, получались аномально тяжелыми или неестественно легкими), вероятность того, что эта конкретная галактика является источником, автоматически снижалась алгоритмом почти до нуля.

Итоги анализа и влияние на космологию

Объединив вероятностные распределения по 17 «темным сиренам» и добавив к ним прямые данные от единственной известной «светлой сирены» (слияния нейтронных звезд GW170817), исследователи вычислили итоговое значение постоянной Хаббла. Оно составило 69.9 (+4.1 / -4.0) ​ км/с/Мпк.

Во-первых, полученная цифра ложится практически точно посередине между двумя конфликтующими лагерями (67 км/с/Мпк из ранней Вселенной и 73 км/с/Мпк из локальных наблюдений). Текущая статистическая погрешность метода составляет около 6%, что пока не позволяет сделать окончательный вывод в пользу одной из сторон. Хаббловское напряжение на данный момент остается неразрешенным.

Однако, включение в расчет массива «темных сирен» позволило снизить неопределенность финального измерения на 11% по сравнению с расчетами, базирующимися исключительно на оптически подтвержденных слияниях. Физики на практике доказали эффективность вероятностного подхода. События, которые не оставляют электромагнитного следа, больше не игнорируются при анализе — они предоставляют строгую, математически выверенную информацию о структуре пространства-времени.

В настоящее время гравитационно-волновая астрономия переходит к этапу массового сбора данных. В ходе текущих и запланированных сеансов наблюдений детекторы будут фиксировать десятки и сотни новых слияний черных дыр ежегодно. Параллельно с этим вводятся в эксплуатацию новые оптические инструменты, такие как Обсерватория имени Веры Рубин, которые составят предельно точные и глубокие каталоги галактик.

Синтез огромного количества новых гравитационных сигналов и детализированных карт Вселенной приведет к тому, что метод «темных сирен» будет накапливать точность с каждым месяцем. По прогнозам исследователей, в ближайшее десятилетие погрешность этого метода снизится до уровня 1-2%. Именно тогда гравитационные волны, проанализированные с помощью машинного обучения и жесткой статистики, дадут космологии окончательный ответ о скорости расширения Вселенной. И этот ответ либо подтвердит существующую физическую парадигму, либо укажет на необходимость создания новой физики, описывающей законы нашего мира.

Источник: arXiv