Астрономы используют квазары для получения новой оценки постоянной Хаббла

Вопрос о том, как быстро расширяется Вселенная, беспокоит астрономов уже почти столетие. Различные исследования продолжают давать разные ответы, и некоторые ученые задаются вопросом, не упустили ли они из виду ключевой механизм в механизме, управляющем космосом.

Теперь, предлагая новый способ измерения скорости расширения космоса, ученые во главе с астрономами из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сделали шаг к разрешению спора. Исследование группы опубликовано в «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society».

В основе спора лежит постоянная Хаббла, число, которое соотносит расстояния с красными смещениями галактик. Оценки константы Хаббла варьируются от 67 до 73 километров в секунду на мегапарсек, что означает, что две точки в пространстве на расстоянии 1 мегапарсек (что эквивалентно 3,26 миллиона световых лет) расходятся друг от друга со скоростью от 67 до 73 километров в секунду.

«Константа Хаббла определяет физические масштабы вселенной», — сказал Саймон Биррер, ведущий автор исследования. Без точного значения постоянной Хаббла астрономы не могут точно определить размеры удаленных галактик, возраст Вселенной или историю расширения космоса.

Большинство методов получения постоянной Хаббла имеют два компонента: расстояние до некоторого источника света и красное смещение этого источника света. В поисках источника света, который не использовался в расчетах других ученых, Биррер и его коллеги обратились к квазарам, гигантским источникам излучения. Квазары представляют собой активные ядра галактик на начальном этапе развития, в которых сверхмассивная чёрная дыра поглощает окружающее вещество. И для своих исследований ученые выбрали одно конкретное подмножество квазаров — тех, чей свет был изогнут гравитацией галактики, которая создает два параллельных изображения квазара на небе.

Свет от двух изображений проходит по разным маршрутам к Земле. Когда яркость квазара меняется, два изображения мерцают одно за другим, а не одновременно. Задержка во времени между этими двумя мерцаниями, наряду с информацией о гравитационном поле мешающей галактики, может быть использована для отслеживания пути света и определения расстояний от Земли до квазара и галактики переднего плана. Знание красных смещений квазара и галактики позволило ученым оценить, насколько быстро расширяется Вселенная.

Исследователи из UCLA, в рамках международного сотрудничества H0liCOW, ранее применяла эту технику для изучения квазаров с четырьмя изображениями, в которых четыре изображения квазара появляются вокруг галактики на переднем плане. Но четверные изображения встречаются не так часто — квазары с двумя изображениями, как полагают, встречаются в пять раз чаще.

Чтобы продемонстрировать эту технику, астрономы изучили квазар с двойным изображением, известный как SDSS J1206 + 4332; они опирались на данные космического телескопа Хаббла, обсерватории Gemini, телескопа Keck и сеть космологического мониторинга гравитационных линз, или COSMOGRAIL, — программа, управляемая Швейцарской политехнической федерацией Лозанны, которая нацелена на определение постоянной Хаббла.

Томмазо Треу, профессор физики и астрономии из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и старший автор статьи, сказал, что исследователи ежедневно снимали изображения квазара в течение нескольких лет, чтобы точно измерить временную задержку между изображениями. Затем, чтобы получить максимально возможную оценку постоянной Хаббла, они объединили данные, собранные на этом квазаре, с данными, которые ранее были собраны их коллаборацией H0liCOW по трем квазарам с четырьмя изображениями.

Ученые предложили оценку постоянной Хаббла около 72,5 километров в секунду на мегапарсек — цифра соответствует с тем, что другие ученые определили в исследованиях, которые использовали расстояния до сверхновых звезд — взрывающиеся звезды в удаленных галактиках — в качестве ключа для измерения. Тем не менее, обе оценки примерно на 8 процентов выше, чем те, которые основаны на слабом свечении со всего неба, которое называется космическим микроволновым фоном (реликтовое излучение), которое началось спустя 380 000 лет после Большого взрыва, когда свет впервые свободно начал распространялся в пространстве.

«Если существует реальная разница между этими значениями, это означает, что вселенная немного сложнее», — сказал Томмазо Треу. «С другой стороны, возможно, что одно измерение — или все три — неверны».

Исследователи сейчас ищут больше квазаров, чтобы улучшить точность измерения их постоянной Хаббла. По словам Треу, один из наиболее важных уроков новой статьи состоит в том, что квазары с двойным изображением дают ученым гораздо больше полезных источников света для расчетов постоянных Хаббла. На данный момент, однако, команда, возглавляемая UCLA, фокусирует свое исследование на 40 квазарах с четырехкратным отображением, поскольку они способны предоставить даже более полезную информацию, чем квазары с двойным изображением.

S Birrer et al. H0LiCOW — IX. Cosmographic analysis of the doubly imaged quasar SDSS 1206+4332 and a new measurement of the Hubble constant, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019). DOI: 10.1093/mnras/stz200