Сблъсъкът на неутронни звезди дава нова оценка на скоростта на разширяване на Вселената (видео)

Когато през август 2017 г. астрономите от цял ​​свят наблюдаваха как се сблъскват две неутронни звезди, те научиха много интересни неща за Вселената.

Сега те използват данните от това събитие, за да усъвършенстват една от най-основните характеристики на цялата Вселена - константата на Хъбъл - скоростта на разширяване на Вселената.

С помощта на радиотелескопи от Националната научна фондация (NSF) астрономите демонстрираха как комбинацията от гравитационни вълни и радионаблюдения, заедно с теоретичното моделиране, могат да превърнат сливанията на двойки неутронни звезди в нов начин за измерване на константата на Хъбъл.

Вселената се разширява с ускорен темп, но двата метода, използвани за определяне скоростта на разширяване, не дават еднакви резултати, което е доста голям проблем.

Константата на Хъбъл определя скоростта, с която Вселената се разширява, и несъответствията в нейното измерване отчайва космолозите. Според данни от сателита "Планк", който измерва космическия микровълнов фон (условията на ранната Вселена само 380 000 години след Големия взрив), константата на Хъбъл трябва да бъде 67,4 километра в секунда за мегапарсек.

Друг метод за измерване на константата на Хъбъл е чрез изследване на мъглявините, оставени от свръхновите от тип Ia, като се наблюдава доплеровото им изместване, т.е. промените в дължината на светлината, когато мъглявината се отдалечава. Този метод наскоро даде резултат от 72,78 километра в секунда на мегапарсек.

Един по-скорошен метод използва стандартни свещи като променливите звезди цефеиди, чиято предварително известна светимост дава възможност за точни изчисления на разстоянието. И тук възникват проблеми - защото тези измервания показват по-бърза константа на Хъбъл. Съвсем наскоро измерване, базирано на движенията на 70 променливи цефеиди, даде резултат от 74,03 километра в секунда на мегапарсек.

Проблемът е, че когато се сравнят двата метода, те дават резултат, който има 10% разлика в стойността. Първият дава стойност 73,24 ± 1,74 километра в секунда за мегапарсек, а вторият - 67,4 ± 0,5.

Така че разминаването е голямо. (вж "Гравитационните вълни ще разрешат загадката на разширяването на Вселената")

^{Скоростта на разширяване на Вселената може да се използва за определяне на нейния размер и възраст, както и да послужи като основен инструмент за интерпретиране на наблюденията на обекти на друго място във Вселената. Кредит: НАСА, ЕКА и екипът на HST Frontier Fields (STScI)}

"Или една от стойностите е вярна, а другите неверни, или моделите на физиката, които ги подкрепят, са погрешни. Бихме искали да знаем какво наистина се случва във Вселената, така че имаме нужда от независима проверка", коментира астрофизикът Адам Делър (Adam Deller) от Технологичния университет в Суинбърн. "Сливането на две неутронни звезди е третият начин".

Гравитационната вълна GW170817, което позволи за първи път на астрономите по света да наблюдават сблъсък между две неутронни звезди по много начини - включително с гравитационновълновата астрономия, оптичната астрономия и радиоастрономията. Сблъсъкът бе регистриран от три обсерватории - двете LIGO и VIRGO - през август 2017 г. Тогава за първи път бе наблюдавано такова събитие, а гравитационният сигнал е забелязан от всичките три детектора. Това позволи на астрономите да триангулират източника до малка област в небето и да го изследват с обикновени телескопи.

"Сливанията на неутронни звезди са феноменални енергийни събития - две звезди, всяка по-масивна от Слънцето, се удрят около стотици пъти в секунда, преди да се слият и произведат огромен взрив на материя, която излита с огромна скорост, както и прилив на гравитационни вълни", обяснява Делър.

"Този взрив от гравитационни вълни може да се използва като "стандартна сирена" - въз основа на формата на гравитационния вълнов сигнал можем да кажем колко "ярко" би трябвало да е събитието в гравитационни вълни. След това можем да вземем колко всъщност видимо ярко е било това събитие и да разберем на какво разстояние трябва да е било”.

^{Радионаблюденията на струятa материя, изхвърлена след сливането на неутронни звезди, е ключът, който позволява на астрономите да определят ориентацията на орбиталната равнина на звездите преди тяхното сливане и по този начин "яркостта" на гравитационните вълни, излъчвани в посоката на Земята. Това може да направи такива събития важен нов инструмент за измерване на скоростта на разширяване на Вселената. Кредит: Sophia Dagnello, NRAO / AUI / NSF}

Важната информация идва под формата на тясна, насочена струя (джет) плазма, изхвърлена от сблъсъка, наблюдавана от радиотелескопите. Те откриват, че тези джетове се движат сякаш със свръхсветлинна скорост - всъщност само изглежда, че се движат по-бързо от скоростта на светлината заради ъгъла, под който ги наблюдаваме. (вж "Струя плазма изглежда се движи 5 пъти по-бързо от светлината")

^{Ако ъгълът α е близо до 90º, разминаването между скоростта на потока и скоростта върху проекцията ще бъде много по-голямо.}

В продължение на месеци астрономите измерват с помощта на радиотелескопи движението на свръхбързата струя материя, изхвърлена от експлозията.

„Използвахме тези измервания заедно с подробни хидродинамични симулации, за да определим ъгъла на ориентация и използвахме гравитационните вълни за определяне на разстоянието“, разказва Ехуд Накар (Ehud Nakar) от Университета в Тел Авив.

Чрез комбиниране на информацията за гравитационните вълни и данните, получени от радиотелескопите, изследователите успяха да измерят скоростта на разширяване. Както се съобщава в Nature Astronomy, екипът е установил стойност от 70,3 километра за секунда на мегапарсек. Въпреки това, несигурността е толкова голяма, че обхваща и двете стойности в центъра на текущото противоречие. Така че новото измерване не е достатъчно сигурно, за да ни покаже дали данните от Планк, свръхновите или променливите цефеиди са по-точни.

^{Сблъсъкът на две неутронни звезди (GW170817) изхвърли огнено кълбо от материал и енергия, което позволи на екипа астрофизици, ръководен от Университета Принстън, да изчисли константата на Хъбъл, тоест скоростта на разширяването на Вселената. Те използваха "филм" на радиовълните с висока резолюция (вляво) в сравнение с компютърния модел (вдясно). За да генерира своя „филм“, научният екип комбинира данни от достатъчно много радиотелескопи, разпръснати върху достатъчно голяма площ, за да генерира изображение с такава висока резолюция, че ако бе оптична камера, тя би могла да види отделни косми на главата на човек на 10 км разстояние. Филмът представя наблюденията от 75 дни и 230 дни след сливането. Средният панел показва кривата на светимостта на радиовълните. Кредит: Ore Gottlieb and Ehud Nakar, Tel Aviv University} 

Това единично измерване на събитие на около 130 милиона светлинни години от Земята все още не е достатъчно за разрешаване на несигурността, казват учените, но сега техниката може да бъде приложена към бъдещи сливания на неутронни звезди, открити с гравитационни вълни.

„Смятаме, че още 15 такива събития, които могат да се наблюдават както с гравитационни вълни, така и с големи телескопи, могат да решат проблема“, заяви Кента Хотокезака (Kenta Hotokezaka) от Принстънския университет. "Това би било важен напредък в нашето разбиране за един от най-важните аспекти на Вселената", добавя астрофизикът.

Това е обещаващо, тъй като LIGO и Virgo са открили още много събития, откакто са започнаха работа отново през април. Дори сред регистрирсните има сблъсък на втора двойка неутронни звезди, но за съжаление само два детектора са били онлайн по това време, така че не може да се определи мястото на събитието. Но в бъдеще вероятно ще се намерят повече от такива сблъсъци.

Международният научен екип, воден от Хотокезака, докладва резултатите си в списание Nature Astronomy. Той използва радиотелескопите от Националната научна фондация (NSF): Very Long Baseline Array (VLBA), Very Large Array (VLA) и Green Bank Telescope (GBT) .

Източници:

Neutron Star Smash-Up Just Provided a New Measure of a Fundamental Cosmic Feature, ScienceAlert

Neutron Star Collision’s Jet Is Being Used To Solve The Mystery Of Expansion Rate Of The Universe, IFLScience

New method may resolve difficulty in measuring universe's expansion, National Radio Astronomy Observatory

Още по темата

24/10/2018

Космос

Гравитационните вълни ще разрешат загадката на разширяването на Вселената (видео)

16/10/2017

Космос

Първо регистриране на гравитационни вълни от сблъсък на неутронни звезди - нова ера на астрономията (видео)

25/05/2017

Космос

Струя плазма изглежда се движи 5 пъти по-бързо от светлината

11/02/2016

Физика

Революция във физиката: Гравитационните вълни съществуват (видео)