Космологи-наблюдатели активно ищут “новую физику”, которая может разрешить непреходящую загадку нашей быстро расширяющейся Вселенной. Квазары — это древние ядра галактик, где сверхмассивная черная дыра активно втягивает материю из своего окружения с очень высокой скоростью, что может дать ключ к разгадке тайны.
Светящиеся квазары, подобные показанному выше космическому шквалу, известному как “Чашка чая”, погребенная в центре галактики – хозяина, затмевают своего хозяина и могут быть легко обнаружены на экстремальных расстояниях в ранней Вселенной. Исследуя историю нашего космоса с помощью большой выборки далеких «активных» галактик, наблюдаемых XMM-Newton ЕКА в 2019 году, команда астрономов обнаружила, что в раннем расширении Вселенной может быть нечто большее, чем предсказано стандартной моделью космологии.
Тайна, управляющая расширением Вселенной
Согласно ведущему сценарию, наша Вселенная содержит всего несколько процентов обычной материи. Одна четверть космоса состоит из неуловимой темной материи, которую мы можем ощущать гравитационно, но не наблюдать, а остальная часть состоит из еще более таинственной темной энергии, которая управляет текущим ускорением расширения Вселенной.
Эта модель основана на множестве данных, собранных за последние пару десятилетий, от космического микроволнового фона, или CMB – первого света в истории космоса, выпущенного всего через 380 000 лет после большого взрыва и наблюдавшегося в беспрецедентных деталях миссией ЕКА Планка – до более «локальных» наблюдений. Последние включают взрывы сверхновых, скопления галактик и гравитационное искажение, запечатленное темной материей в далеких галактиках, и могут быть использованы для отслеживания космической экспансии в последние эпохи космической истории – за последние девять миллиардов лет.
Исследование 2019 года, проведенное Гвидо Рисалити из Университета Флоренции, Италия, и Элизабетой Луссо из Университета Дарема, Великобритания, указывает на другой тип космических индикаторов – квазары, которые частично заполнят пробел между этими наблюдениями, измеряя расширение Вселенной до 12 миллиардов лет назад.
Использование квазаров для исследования расширения Вселенной
Квазары — это ядра галактик, где активная сверхмассивная черная дыра с очень интенсивной скоростью вытягивает материю из своего окружения, ярко сияя в электромагнитном спектре. Когда материал падает на черную дыру, он образует вращающийся диск, который излучает видимый и ультрафиолетовый свет; этот свет, в свою очередь, нагревает близлежащие электроны, генерируя рентгеновские лучи.
Гвидо и Элизабета поняли, что хорошо известная связь между ультрафиолетовой и рентгеновской яркостью квазаров может быть использована для оценки расстояния до этих источников-что, как известно, очень сложно в астрономии-и, в конечном счете, для изучения истории расширения Вселенной.
Астрономические источники, свойства которых позволяют нам измерять их расстояния, называются «стандартными свечами».
Наиболее заметный класс, известный как сверхновая типа Ia, состоит из впечатляющей гибели белых карликовых звезд после того, как они наелись материала от звезды-компаньона, генерируя взрывы предсказуемой яркости, которые позволяют астрономам точно определять их расстояние. Наблюдения этих сверхновых в конце 1990-х годов показали ускоренное расширение Вселенной за последние несколько миллиардов лет.
Имея под рукой значительную выборку квазаров, астрономы применили свой метод на практике, и результаты интригуют.
Покопавшись в архиве XMM-Newton, они собрали рентгеновские данные для более чем 7000 квазаров, объединив их с оптическими наблюдениями с помощью наземной цифровой съемки неба Слоана. Квазары настолько далеки, что видимый свет, обнаруженный здесь, на Земле, фактически соответствует их ультрафиолетовому излучению, которое было существенно изменено красным смещением из-за растягивающегося космологического расширения Вселенной. Они также использовали новый набор данных, специально полученных с помощью XMM-Newton в 2017 году, для изучения очень далеких квазаров, наблюдая их такими, какими они были, когда Вселенной было всего около двух миллиардов лет. Наконец, они дополнили данные небольшим количеством еще более отдаленных квазаров и некоторыми относительно близкими, наблюдаемыми с помощью рентгеновских обсерваторий НАСА «Чандра» и «Свифт» соответственно.
Измерение квазара
“Такой большой образец позволил нам тщательно изучить взаимосвязь между рентгеновским и ультрафиолетовым излучением квазаров, что значительно улучшило нашу методику оценки их расстояния”, — говорит Гвидо.
Наблюдения дальних квазаров по методу ХММ-Ньютона настолько хороши, что команда даже выделила две различные группы: 70 процентов источников ярко светятся в рентгеновских лучах с низкой энергией, в то время как остальные 30 процентов испускают меньшее количество рентгеновских лучей, которые характеризуются более высокими энергиями. Для дальнейшего анализа они сохранили только более раннюю группу источников, в которых связь между рентгеновским и ультрафиолетовым излучением выглядит более четкой.
“Весьма примечательно, что мы можем различать такой уровень детализации в источниках, настолько удаленных от нас, что их свет путешествовал более десяти миллиардов лет, прежде чем достиг нас”, — сказал Норберт Шартель, научный сотрудник проекта XMM-Newton в ЕКА.
После беглого просмотра данных и приведения выборки примерно к 1600 квазарам астрономы остались с самыми лучшими наблюдениями, что привело к надежным оценкам расстояния до этих источников, которые они могли бы использовать для исследования расширения Вселенной.
Увеличивается ли темная энергия с течением времени?
“Когда мы объединяем выборку квазаров, которая охватывает почти 12 миллиардов лет космической истории, с более локальной выборкой сверхновых типа Ia, охватывающей только последние восемь миллиардов лет или около того, мы находим аналогичные результаты в перекрывающихся эпохах”, — говорит Элизабета.
На приведенном выше графике показаны измерения расстояния до астрономических объектов, таких как сверхновые типа Ia (голубые символы) и квазары (желтые, красные и синие символы), которые могут быть использованы для изучения истории расширения Вселенной.
“Однако на более ранних этапах, которые мы можем исследовать только с помощью квазаров, мы обнаруживаем несоответствие между наблюдаемой эволюцией Вселенной и тем, что мы предсказали бы на основе стандартной космологической модели”.
Изучая этот ранее плохо изученный период космической истории с помощью квазаров, астрономы выявили возможное напряжение в стандартной модели космологии, которое может потребовать добавления дополнительных параметров для согласования данных с теорией.
“Одним из возможных решений было бы вызвать эволюционирующую темную энергию с плотностью, которая увеличивается с течением времени”, — говорит Гвидо.
Кстати, эта конкретная модель также сняла бы еще одно напряжение, которое в последнее время занимало космологов, касающееся постоянной Хаббла – текущей скорости космического расширения. Это несоответствие было обнаружено между оценками постоянной Хаббла в локальной вселенной, основанными на данных о сверхновых – и, независимо, о скоплениях галактик – и оценками, основанными на наблюдениях Планка космического микроволнового фона в ранней Вселенной.
“Эта модель довольно интересна, потому что она может решить сразу две головоломки, но нам придется рассмотреть еще много моделей в мельчайших деталях, прежде чем мы сможем решить эту космическую головоломку”, — добавляет Гвидо.
Команда с нетерпением ожидает наблюдения еще большего количества квазаров в будущем, чтобы еще больше уточнить свои результаты. Дополнительные подсказки также будут получены в ходе миссии ЕКА «Евклид», запуск которой запланирован на 2022 год, чтобы исследовать последние десять миллиардов лет космической экспансии и исследовать природу темной энергии.
