Активні галактики вказують на нову фізику космічного розширення

Досліджуючи історію всесвіту за допомогою великої вибірки віддалених «активних» галактик, команда астрономів виявила, що раннє розширення Всесвіту може бути чимось більшим, ніж пророкує стандартна модель космології.

Згідно з провідним сценарієм, наш всесвіт містить лише кілька відсотків звичайної матерії. Одна чверть космосу складається з невловимої темної матерії, яку ми можемо відчувати гравітаційно, але не спостерігати, а інша частина складається з ще більш таємничої темної енергії, яка рухає поточним прискоренням розширення всесвіту.

Ця модель заснована на безлічі даних, зібраних за останні два десятиліття, від космічного мікрохвильового фону - першого світла в історії космосу, випущеного всього через 380 000 років після Великого вибуху і спостерігався в безпрецедентних подробицях Місією Планка - до більш «місцевих» спостережень.

До останніх належать вибухи наднових, скупчення галактик і гравітаційні спотворення, зображені темною матерією в далеких галактиках, які можуть використовуватися для відстеження космічного розширення в останні епохи космічної історії - протягом останніх дев'яти мільярдів років.

Нове дослідження, проведене Гвідо Рісаліті з Університету Флоренції, Італія, і Елізабетою Луссо з Університету Дарема, Великобританія, вказує на інший тип космічного трасера - квазари - який заповнить частину розриву між цими спостереженнями, вимірюючи розширення Всесвіт до 12 мільярдів років тому.

Квазари - це ядра галактик, де активна надмасивна чорна діра поглинає речовину з навколишнього середовища з дуже інтенсивними швидкостями, яскраво сяючи по всьому електромагнітному спектру. Коли матеріал падає в чорну діру, він утворює закручений диск, який випромінює у видимому і ультрафіолетовому світлі; це світло, в свою чергу, нагріває сусідні електрони, генеруючи рентгенівські промені.

Три роки тому вчені усвідомили, що добре відоме співвідношення між ультрафіолетовою і рентгенівською яскравістю квазарів можна використовувати для оцінки відстані до цих джерел - і, в кінцевому рахунку, для дослідження історії розширення всесвіту.

Астрономічні джерела, властивості яких дозволяють нам визначати їх відстані, називаються «стандартними свічками».

Найбільш помітний клас, відомий як наднова типу Ia, складається з вражаючої загибелі зірок - білих карликів після того, як вони переповнилися матеріалом від зірки-компаньйона, створюючи вибухи передбачуваної яскравості, які дозволяють астрономам точно визначати відстань. Спостереження за цими надновими наприкінці 1990-х років показали прискорене розширення Всесвіту за останні кілька мільярдів років.

«Використання квазарів в якості стандартних свічок має великий потенціал, оскільки ми можемо спостерігати їх на набагато більших відстанях від нас, ніж наднові типу Ia, і тому використовувати їх для дослідження набагато більш ранніх епох в історії космосу», - пояснюють астрономи.
Маючи великий вибір квазарів під рукою, астрономи вже застосували свій метод на практиці, і результати є інтригуючими.

Вивчивши архів XMM-Newton, вони зібрали рентгенівські дані для більш ніж 7000 квазарів, об'єднавши їх з даними ультрафіолетових спостережень, отриманими за допомогою Sloan Digital Sky Survey. Вони також використовували новий набір даних, спеціально отриманий за допомогою XMM-Newton в 2017 році, щоб подивитися на дуже далекі квазари, спостерігаючи за ними, якими вони були, коли Всесвіту було всього близько двох мільярдів років. Нарешті, вони доповнили дані невеликим числом ще більш віддалених квазарів і деякими відносно близькими, спостережуваними в рентгенівських обсерваторіях НАСА Чандра і Свіфт.

«Така велика вибірка дозволила нам ретельно вивчити зв'язок між рентгенівським випромінюванням і ультрафіолетовим випромінюванням квазарів у копітких деталях, що значно поліпшило нашу методику оцінки їхньої відстані», - кажуть вчені.

Нові спостереження XMM-Newton далеких квазарів настільки хороші, що вчені навіть визначили дві різні групи: 70 відсотків джерел яскраво сяють у низькоенергетичних рентгенівських променях, тоді як решта 30 відсотків випромінюють меншу кількість рентгенівських променів, характеризується вищими енергіями. Для подальшого аналізу вони зберегли тільки більш ранню групу джерел, в якій зв'язок між рентгенівським випромінюванням і ультрафіолетовим випромінюванням виглядає більш ясним.

Після перегляду даних і доведення вибірки до 1600 квазарів астрономам були надані найкращі спостереження, що дозволило отримати надійні оцінки відстані до цих джерел, які вони могли б використовувати для дослідження розширення Всесвіту.

«Коли ми об'єднуємо зразки квазарів, що охоплюють майже 12 мільярдів років космічної історії, з більш локальною вибіркою наднових типу Ia, що охоплює тільки останні вісім мільярдів років або близько того, ми знаходимо аналогічні результати в епохи, що перекриваються», - кажуть дослідники.

«Однак на більш ранніх етапах, коли ми можемо досліджувати тільки квазари, ми виявляємо невідповідність між спостережуваною еволюцією Всесвіту і тим, що ми передбачаємо на основі стандартної космологічної моделі».

Розглядаючи цей раніше маловивчений період космічної історії за допомогою квазарів, астрономи виявили можливу розбіжність у стандартній моделі космології, яка може вимагати додавання додаткових параметрів для узгодження даних з теорією. «Одним з можливих рішень було б задіяти темну енергію, щільність якої збільшується з плином часу», - кажуть вчені.

Модель також порушила ще одне питання, яке останнім часом займає космологів щодо постійної Хаббла - поточної швидкості космічного розширення. Невідповідність було виявлено між оцінками постійної Хаббла в локальному всесвіті, заснованими на даних про наднових, і незалежно від скупчень галактик, і оцінками обсерваторії Планка космічного мікрохвильового фону в ранньому Всесвіті.

«Наша модель досить цікава, тому що вона може вирішити дві головоломки одночасно, але нам доведеться розглянути ще багато моделей, перш ніж ми зможемо вирішити цю космічну головоломку», - додає Гвідо Рісаліті.

Астрономи з нетерпінням чекають можливості спостерігати ще більше квазарів у майбутньому для подальшого уточнення отриманих результатів. Додаткові дані будуть отримані від місії Євкліда (ESA Euclid), запуск якої запланований в 2022 році, щоб вивчити останні десять мільярдів років космічного розширення і дослідити природу темної енергії.