Активные галактики указывают на новую физику космического расширения
Ученые обнаружили несоответствие между наблюдаемой эволюцией Вселенной и тем, что предсказывает космологическая модель
Исследуя историю вселенной с помощью большой выборки отдаленных «активных» галактик, команда астрономов обнаружила, что раннее расширение Вселенной может быть чем-то большим, чем предсказывает стандартная модель космологии.
Согласно ведущему сценарию, наша вселенная содержит только несколько процентов обычной материи. Одна четверть космоса состоит из неуловимой темной материи, которую мы можем чувствовать гравитационно, но не наблюдать, а остальная часть состоит из еще более таинственной темной энергии, которая движет текущим ускорением расширения вселенной.
Эта модель основана на множестве данных, собранных за последние два десятилетия, от космического микроволнового фона — первого света в истории космоса, выпущенного всего через 380 000 лет после Большого взрыва и наблюдавшегося в беспрецедентных подробностях Миссией Планка — к более «местным» наблюдениям.
К последним относятся взрывы сверхновых, скопления галактик и гравитационные искажения, запечатленные темной материей в далеких галактиках, которые могут использоваться для отслеживания космического расширения в последние эпохи космической истории — в течение последних девяти миллиардов лет.
Новое исследование, проведенное Гвидо Рисалити из Университета Флоренции, Италия, и Элизабетой Луссо из Университета Дарема, Великобритания, указывает на другой тип космического трассера — квазары — который заполнит часть разрыва между этими наблюдениями, измеряя расширение Вселенная до 12 миллиардов лет назад.
Квазары — это ядра галактик, где активная сверхмассивная черная дыра поглощает вещество из окружающей среды с очень интенсивными скоростями, ярко сияя по всему электромагнитному спектру. Когда материал падает в черную дыру, он образует закрученный диск, который излучает в видимом и ультрафиолетовом свете; этот свет, в свою очередь, нагревает соседние электроны, генерируя рентгеновские лучи.
Три года назад ученые осознали, что хорошо известное соотношение между ультрафиолетовой и рентгеновской яркостью квазаров можно использовать для оценки расстояния до этих источников — и, в конечном счете, для исследования истории расширения вселенной.
Астрономические источники, свойства которых позволяют нам определять их расстояния, называются «стандартными свечами».
Наиболее заметный класс, известный как сверхновая типа Ia, состоит из впечатляющей гибели звезд — белых карликов после того, как они переполнились материалом от звезды-компаньона, создавая взрывы предсказуемой яркости, которые позволяют астрономам точно определять расстояние. Наблюдения за этими сверхновыми в конце 1990-х годов показали ускоренное расширение Вселенной за последние несколько миллиардов лет.
«Использование квазаров в качестве стандартных свечей имеет большой потенциал, поскольку мы можем наблюдать их на гораздо больших расстояниях от нас, чем сверхновые типа Ia, и поэтому использовать их для исследования гораздо более ранних эпох в истории космоса», — объясняют астрономы.
Имея большой выбор квазаров под рукой, астрономы уже применили свой метод на практике, и результаты являются интригующими.
Изучив архив XMM-Newton, они собрали рентгеновские данные для более чем 7000 квазаров, объединив их с данными ультрафиолетовых наблюдений, полученными с помощью Sloan Digital Sky Survey. Они также использовали новый набор данных, специально полученный с помощью XMM-Newton в 2017 году, чтобы посмотреть на очень далекие квазары, наблюдая за ними, какими они были, когда Вселенной было всего около двух миллиардов лет. Наконец, они дополнили данные небольшим числом еще более отдаленных квазаров и некоторыми относительно близкими, наблюдаемыми в рентгеновских обсерваториях НАСА Чандра и Свифт.
«Такая большая выборка позволила нам тщательно изучить связь между рентгеновским излучением и ультрафиолетовым излучением квазаров в кропотливых деталях, что значительно улучшило нашу методику оценки их расстояния», — говорят ученые.
Новые наблюдения XMM-Newton далеких квазаров настолько хороши, что ученые даже определили две разные группы: 70 процентов источников ярко сияют в низкоэнергетических рентгеновских лучах, в то время как оставшиеся 30 процентов излучают меньшее количество рентгеновских лучей, характеризуется более высокими энергиями. Для дальнейшего анализа они сохранили только более раннюю группу источников, в которой связь между рентгеновским излучением и ультрафиолетовым излучением выглядит более ясной.
После просмотра данных и доведения выборки до 1600 квазаров астрономам были предоставлены самые лучшие наблюдения, что позволило получить надежные оценки расстояния до этих источников, которые они могли бы использовать для исследования расширения Вселенной.
«Когда мы объединяем образцы квазаров, охватывающих 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 перекрывающиеся эпохи», — говорят исследователи.
«Однако на более ранних этапах, когда мы можем исследовать только квазары, мы обнаруживаем несоответствие между наблюдаемой эволюцией Вселенной и тем, что мы предсказываем на основе стандартной космологической модели».
Рассматривая этот ранее малоизученный период космической истории с помощью квазаров, астрономы обнаружили возможное расхождение в стандартной модели космологии, которое может потребовать добавления дополнительных параметров для согласования данных с теорией. «Одним из возможных решений было бы задействовать темную энергию, плотность которой увеличивается с течением времени», — говорят ученые.
Модель также подняла еще один вопрос, который в последнее время занимает космологов в отношении постоянной Хаббла — текущей скорости космического расширения. Несоответствие было обнаружено между оценками постоянной Хаббла в локальной вселенной, основанными на данных о сверхновых, и независимо от скоплений галактик, и оценками обсерватории Планка космического микроволнового фона в ранней Вселенной.
«Наша модель довольно интересна, потому что она может решить две головоломки одновременно, но нам придется рассмотреть еще много моделей, прежде чем мы сможем решить эту космическую головоломку», — добавляет Гвидо Рисалити.
Астрономы с нетерпением ждут возможности наблюдать еще больше квазаров в будущем для дальнейшего уточнения полученных результатов. Дополнительные данные будут получены от миссии Евклида (ESA Euclid), запуск которой запланирован в 2022 году, чтобы изучить последние десять миллиардов лет космического расширения и исследовать природу темной энергии.
G. Risaliti et al. Cosmological constraints from the Hubble diagram of quasars at high redshifts, Nature Astronomy (2019). DOI: 10.1038/s41550-018-0657-z