Сблъсъците на неутронни звезди хвърлят светлина върху разширяването на Вселената

През последните години астрономията се видя в известна криза: въпреки че знаем, че Вселената се разширява и въпреки че знаем приблизително колко бързо се движи, двата основни начина за измерване на това разширение не съвпадат. Сега астрофизиците от института Нилс Бор предлагат нов метод, който може да помогне за разрешаването на това напрежение.

Вселената се разширява

Знаем това, откакто Едуин Хъбъл и други астрономи, преди около 100 години, измериха скоростите на редица околни галактики. Галактиките във Вселената се „раздалечават“ от това разширение и следователно се отдалечават една от друга.

Колкото по-голямо е разстоянието между две галактики, толкова по-бързо те се раздалечават, а точната скорост на това движение е една от най-фундаменталните величини в съвременната космология. Числото, което описва разширението, се нарича константа на Хъбъл и се появява в много различни уравнения и модели на Вселената и нейните компоненти.

Галактиките са повече или по-малко неподвижни в космоса, но самото пространство се разширява. Това кара галактиките да се отдалечават една от друга с непрекъснато нарастваща скорост. Въпреки това, колко точно бързо е малко мистерия. Кредит: ISO/L. Калада. Галактиките са повече или по-малко неподвижни в космоса, но самото пространство се разширява. Това кара галактиките да се отдалечават една от друга с непрекъснато нарастваща скорост. Въпреки това, колко точно бързо е малко мистерия. Кредит: ISO/L. Калада

Проблем с Хъбъл

За да разберем Вселената, трябва да знаем константата на Хъбъл възможно най-точно. Има няколко начина за измерване; Методите са взаимно независими, но за щастие дават почти еднакъв резултат.

Тоест почти е…

Най-лесният интуитивен начин за разбиране по принцип е същият метод, който Едуин Хъбъл и колегите му използваха преди век: локализиране на група галактики и измерване на техните разстояния и скорости. На практика това става чрез търсене на галактики с експлодиращи звезди или т.нар Свръхнови. Този метод се допълва от друг метод, който анализира нередностите в т.нар Космическо фоново лъчение; Древна форма на светлина, датираща малко след това голямата експлозия.

Двата метода – методът на свръхновата и методът на фоновата радиация – винаги са давали малко по-различни резултати. Но всяко измерване идва с несигурност, а преди няколко години несигурността беше достатъчно голяма, за да можем да ги обвиняваме за несъответствието.

Лявото полукълбо показва разширяващия се остатък от свръхновата, открита от Тихо Брахе през 1572 г., наблюдавана тук на рентгенови лъчи (Кредит: NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.). Вдясно е карта на космическото фоново лъчение, излъчвано от половината небе, което се наблюдава в микровълни. Кредит: Научен екип на НАСА/WMAP

Въпреки това, тъй като техниките за измерване се подобриха, съмненията намаляха и сега достигнахме точка, в която можем да заявим с висока степен на увереност, че нито едно от двете не може да е вярно.

Коренът на този „проблем на Хъбъл“ – дали неизвестни ефекти системно променят един от резултатите или сочи към нова физика, която все още не е открита – в момента е една от най-горещите теми в астрономията.

Устойчивият парадокс на Хъбъл

Разширяването на Вселената се измерва в „скорост на разстояние“, което е малко над 20 километра в секунда на милион светлинни години. Това означава, че галактика, разположена на 100 милиона светлинни години, се отдалечава от нас със скорост 2000 km/s, докато друга галактика, разположена на 200 милиона светлинни години, се отдалечава от нас със скорост 4000 km/s.

Въпреки това, използването на свръхнови за измерване на разстояния и скорости на галактиките води до 22,7 ± 0,4 km/s, докато анализирането на космическото фоново лъчение води до 20,7 ± 0,2 km/s.

Обръщането на внимание на такова дребно несъгласие може да изглежда скучно, но може да бъде много важно. Например числото се появява при изчисляването на възрастта на Вселената и двата метода дават възраст съответно от 12,8 и 13,8 милиарда години.

Килонова: нов подход към измерването

Едно от най-големите предизвикателства е точното определяне на разстоянията до галактиките. Но в ново проучване Албърт Снипен, докторант по астрофизика в Центъра за космическа зора в Института Нилс Бор в Копенхаген, предлага нов начин за измерване на разстояния, който може да помогне за разрешаване на продължаващия спор.

„Когато две изключително компактни неутронни звезди – самите те останки от свръхнови – обикалят една около друга и в крайна сметка се сливат, те експлодират в нова експлозия; това се нарича килонова“, обяснява Алберт Снепен. „Наскоро показахме колко забележително симетрична е тази експлозия и се оказва, че „тази симетрия е не само красива, но и невероятно полезна.“

в Трето проучване Току-що публикуван, плодотворният докторант демонстрира, че килоновите, макар и сложни, могат да бъдат описани с една температура. Оказва се, че симетрията и простотата на kilonova позволяват на астрономите да определят точно колко светлина излъчва.

Чрез сравняване на тази яркост с количеството светлина, достигащо Земята, изследователите могат да изчислят колко далеч е килонова. По този начин те получиха нов, независим метод за изчисляване на разстоянието до галактики, съдържащи kilonovas.

Дарах Уотсън е доцент в Cosmic Dawn Center и съавтор на изследването. „Свръхновите, които са били използвани досега за измерване на разстояния между галактиките, не винаги излъчват еднакво количество светлина“, обяснява той. „Освен това, те първо изискват от нас да калибрираме разстоянието, използвайки друг тип звезди, наречени цефеидни звезди, което от своя страна също трябва да бъде калибрирано.“ С помощта на килонови можем да заобиколим тези усложнения, които причиняват несигурност в измерванията.

Предварителни резултати и бъдещи стъпки

За да докажат потенциала си, астрофизиците приложиха този метод към килонова, открита през 2017 г. Резултатът е константа на Хъбъл, по-близка до метода на фоновата радиация, но дали методът килонова е в състояние да реши проблема с Хъбъл, изследователите все още не смеят да кажат :

„Имаме само един казус досега и се нуждаем от още примери, преди да можем да стигнем до категорично заключение“, предупреждава Алберт Снебен. „Но нашият метод заобикаля поне някои известни източници на несигурност и е много „чиста“ система за изследване. Не изисква калибриране или корекционен фактор.

Справка: „Измерване на константата на Хъбъл в килоноватите с помощта на метода на разширяващата се фотосфера“ от Албърт Снепен, Дарах Уотсън, Дови Познански, Оливър Гаст, Андреас Баузайн и Радослав Войтак, 2 октомври 2023 г., Астрономия и астрофизика.
doi: 10.1051/0004-6361/202346306