Швидкість розширення Всесвіту — величина, яку астрономи називають сталою Хаббла. Здавалося б, за десятиліття спостережень її можна виміряти точно. Але два незалежні підходи — вимірювання відстаней до близьких зірок і галактик з одного боку, і аналіз реліктового випромінювання з іншого — дають різні числа. Розбіжність перевищує похибки вимірювань, тож проблема не в неточності, а в чомусь глибшому. Її назвали хаббловською напруженістю, і вона залишається однією з найважливіших нерозв'язаних задач космології.

Розв'язати суперечку сподіваються за допомогою інструменту, якого ще двадцять років тому не існувало, — гравітаційних хвиль. Це рябинки простору-часу, які виникають при злитті надзвичайно масивних і компактних об'єктів: чорних дір або нейтронних зірок. Детектори LIGO і Virgo вперше зафіксували такий сигнал у 2015 році, і відтоді кількість зареєстрованих злиттів постійно зростає.

Сирена без проміжних сходинок

Класичний спосіб виміряти відстань до далекої галактики — це драбина з кількох "сходинок": спочатку відстані до близьких зірок за паралаксом, потім яскравість цефеїд, потім наднові типу Ia, і так далі. Кожна сходинка додає свою похибку, і вони накопичуються.

Гравітаційна хвиля обходить цю драбину повністю. Форма сигналу — те, як змінюється частота і амплітуда хвилі під час злиття — залежить від мас об'єктів і від того, наскільки сигнал ослаб дорогою до Землі. З цього ослаблення відстань до джерела читається напряму, без жодних проміжних калібрувань. Тому такі джерела й отримали назву стандартні сирени — за аналогією зі "стандартними свічками", якими астрономи традиційно вимірювали відстані.

Але самої відстані недостатньо. Щоб отримати сталу Хаббла, потрібна ще й швидкість, з якою джерело віддаляється від нас разом із розширенням простору. А для швидкості потрібно знати, у якій саме галактиці відбулося злиття.

Одна яскрава подія і безліч темних

У 2017 році сталося злиття двох нейтронних зірок, яке вперше вдалося "побачити" одночасно і в гравітаційних хвилях, і у світлі — подія отримала назву GW170817. Спалах дозволив однозначно визначити галактику-господаря, виміряти її швидкість віддалення і отримати незалежну оцінку сталої Хаббла. Це був єдиний випадок такого роду — "яскрава сирена".

Проблема в тому, що більшість злиттів чорних дір не супроводжуються жодним світловим сигналом: чорні діри не мають речовини, яка могла б спалахнути. Такі події — "темні сирени" — дають точну відстань, але без прив'язки до конкретної галактики. Гравітаційно-хвильовий сигнал приходить із широкої області неба, де можуть перебувати сотні й тисячі галактик-кандидатів.

Крос-кореляція замість пошуку однієї галактики

Замість того щоб шукати одну-єдину галактику-господаря, дослідники пропонують статистичний підхід: зіставити позиції гравітаційно-хвильових подій із каталогами галактик і подивитися, чи корелює розподіл цих подій із великомасштабною структурою Всесвіту — так званою космічною павутиною, мережею з галактик, скупчень і порожнин, що пронизує весь простір.

Якщо темні сирени справді трапляються в галактиках, розподілених так само, як і речовина у Всесвіті загалом, то статистичний зв'язок між подіями та каталогами галактик дозволяє відновити швидкості віддалення без ідентифікації конкретного джерела для кожної окремої події.

Нове дослідження перевірило, наскільки стійкий цей метод до практичних деталей: як саме групувати гравітаційно-хвильові події та галактики в просторі, яку статистику застосовувати для підрахунку кореляцій, і що робити з каталогами галактик, які завжди неповні — адже жоден огляд неба не фіксує абсолютно всі галактики до потрібної глибини.

Висновок дослідників — обережно оптимістичний. За достатньої кількості зареєстрованих подій метод крос-кореляції здатен дати точне значення сталої Хаббла, яке не залежить від жодного іншого способу вимірювання — ні від драбини відстаней, ні від реліктового випромінювання. Це означає, що з розвитком мереж гравітаційно-хвильових детекторів і накопиченням статистики темні сирени можуть стати незалежним арбітром у суперечці, яка досі не має розв'язання.