Активные галактики как стандартные свечи: виновата ли пыль в расхождениях?

Когда возникла Вселенная? Когда и как образовались первые звезды и галактики? Какова судьба Вселенной?

Стандартная космологическая модель, также известная как модель LCDM, может ответить на большинство этих вопросов. Она также может объяснить свойства крупномасштабной пространственной структуры Вселенной — как в ее нынешнем виде, так и в прошлом, когда первые структуры только зарождались. Более того, с помощью темной энергии он может решить проблему ускоренного расширения Вселенной.

Несмотря на многочисленные успехи, за последнее десятилетие измерения близлежащих сверхновых типа Ia и анализ удаленных данных космического микроволнового фона предоставили противоречивые значения для некоторых космологических параметров.

В частности, существует значительная разница в измеренном значении скорости текущего расширения, также известном как постоянная Хаббла, между значением, определенным на основе далеких измерений космического микроволнового фона, и некоторыми значениями, определенными из близлежащих наблюдений сверхновых типа Ia.

Чтобы определить, вызвано ли это различие систематическими проблемами с одним или обоими наборами данных или это проблема модели LCDM, ведется поиск альтернативных космологических зондов.

В качестве таких альтернативных зондов мы с коллегами рассматривали квазары. Это активные ядра в центре галактик, в которых находятся сверхмассивные черные дыры, аккрецирующие материю и обильно излучающие энергию. Их можно обнаружить от локальной Вселенной до далекой эпохи, когда первые галактики только формировались. Таким образом, они частично соединяют локальные измерения сверхновых типа Ia с отдаленными наблюдениями космического микроволнового фона.

Могут ли квазары помочь разрешить нынешнюю космологическую напряженность?

Два метода

Может показаться странным, что активные ядра галактик (АЯГ), представляющие собой довольно сложные объекты, содержащие сверхмассивные черные дыры, массы которых составляют пять порядков (в 100 000 раз) и аккрецирующие вещество в широком диапазоне скоростей, могут быть стандартизированы в аналогичный способ пульсирующих звезд цефеид или взрывающихся звезд (сверхновые типа Ia).

За последние три десятилетия, по мере накопления большего количества многоволновых данных лучшего качества, измерения АЯГ подчинялись двум важным корреляциям, обе из которых связаны с ионизирующим электромагнитным излучением, исходящим от внутреннего аккреционного потока вокруг центральной черной дыры в ультрафиолетовая часть электромагнитного спектра.

Один из них основан на корреляции между светимостью УФ и рентгеновского излучения (отношение УФ/Рентген). В большинстве АЯГ светимости излучения, испускаемого в ультрафиолетовой и рентгеновской частях электромагнитного спектра, подчиняются нелинейной зависимости. На основании этого можно определить расстояние светимости квазара, а для заданного красного смещения диаграмму Хаббла АЯГ можно сопоставить с различными космологическими моделями.

Второй основан на открытии того, что яркость ионизирующего УФ-излучения, испускаемого вблизи центральной черной дыры, коррелирует с радиусом более удаленной области, где быстро движущиеся облака вращаются вокруг центральной черной дыры. Движение этих облаков проявляется в их характерном излучении в виде очень широких эмиссионных линий, поток которых переменен.

Из измерения временной задержки между переменным УФ-излучением и излучением широкой линии можно сделать вывод об абсолютной светимости. По измеренному потоку мы можем определить расстояние светимости, а затем протестировать космологические модели.

Остается вопрос, можно ли найти образец АЯГ, для которого можно было бы изучить оба соотношения. Это позволило бы проверить согласованность определенных световых расстояний и космологических моделей (через определенные значения их космологических параметров).

Несоответствие световых расстояний

Вместе с моим коллегой Нараяном Хадкой из Университета Стоуни-Брук (ранее работавшего в Университете штата Канзас) мы идентифицировали 58 таких АЯГ и обнаружили, что два соотношения (УФ/рентгеновское излучение и радиус-светимость) привели к совершенно разным световым расстояниям до каждого из источников. . Этого не должно происходить, если только один или оба набора данных (УФ/рентгеновское излучение и радиус-светимость) не учитывают должным образом некоторые эффекты. Наше исследование было опубликовано в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.

Более того, космологические параметры, полученные из этих двух соотношений, были совершенно разными: соотношение УФ/рентгеновское излучение предпочитало большее содержание материи в современной Вселенной по сравнению с тем, чему благоприятствовало соотношение радиус-светимость. Кроме того, значения космологических параметров, определенные по измерениям отношения УФ/Рентген, существенно отличаются от значений, определенных с помощью стандартных космологических зондов. Это оставило нас перед загадкой: попытаться выяснить причину несоответствия.

Роль пыли в галактиках

Сравнивая различия двух световых расстояний до каждого из 58 источников, нам стало очевидно, что световое расстояние, определенное на основе соотношения УФ/рентгеновское излучение, систематически больше, чем световое расстояние, выведенное из соотношения радиус-светимость. Совместно с Боженой Черни (Центр теоретической физики ПАН) я понял, что такой эффект может быть вызван пылью, которая поглощает и рассеивает УФ, а также рентгеновские фотоны вдоль луча зрения от АЯГ до нас.

Хотя 58 наблюдаемых квазаров расположены в областях неба, удаленных от пылевых облаков Млечного Пути (см. верхний рисунок), они расположены в галактиках, содержащих многочисленные пылевые облака, через которые испускаемые фотоны должны проходить на своем пути к нашим телескопам.

В нашем недавнем исследовании, опубликованном в The Astrophysical Journal, мы явно показали, что затухание испускаемых фотонов из-за пыли всегда способствует ненулевой разнице между двумя световыми расстояниями, выведенными из корреляций АЯГ, которая может быть либо положительной, либо отрицательной, в зависимости от какие фотоны подвергаются большему воздействию — рентгеновские или УФ-фотоны. Поскольку пики распределения положительны для всех космологических моделей, затухание рентгеновского излучения АЯГ оказывается более значимым для большинства квазаров, чем затухание УФ-излучения.

Заключение

Пыль в родительских галактиках АЯГ главным образом препятствует применимости соотношения УФ/Рентгеновское излучение в космологии, в то время как соотношение радиус-светимость все еще кажется жизнеспособным для превращения квазаров в стандартные свечи. Хотя космологические ограничения соотношения радиус-светимость все еще слабы из-за ограниченного размера выборки, это соотношение дает положительную сторону для использования квазаров в качестве космологических зондов, особенно в эпоху обширных исследований неба.

Эта история является частью Science X Dialog, где исследователи могут сообщать о результатах своих опубликованных исследовательских статей. Посетите эту страницу, чтобы получить информацию о ScienceX Dialog и о том, как принять в нем участие.