Aktywne galaktyki wskazują na nową fizykę kosmicznej ekspansji

Według wiodącego scenariusza, nasz Wszechświat zawiera jedynie kilka procent zwykłej materii. ¼ kosmosu składa się z nieuchwytnej ciemnej materii, którą możemy poczuć grawitacyjnie, ale nie zaobserwować, a reszta składa się z jeszcze bardziej tajemniczej ciemnej energii, która napędza obecne przyspieszenie ekspansji Wszechświata.

Model ma opierać się na mnogości danych zebranych w ciągu ostatnich kilku dekad, pochodzących z mikrofalowego promieniowania tła (CMB) – pierwszego światła w historii kosmosu, wyemitowanego zaledwie 380 000 lat po Wielkim Wybuchu i zaobserwowanego w niespotykanych szczegółach przez misję Planck – do bardziej „lokalnych” obserwacji. Te ostatnie obejmują eksplozje supernowych, gromady galaktyk i zniekształcenia grawitacyjne odciśnięte przez ciemną materię na odległych galaktykach i mogą być używane do śledzenia kosmicznej ekspansji w ostatnich epokach kosmicznej historii – w ciągu ostatnich dziesięciu miliardów lat.

Nowe badanie, prowadzone przez Guido Risaliti z Università di Firenze we Włoszech i Elisabeta Lusso z Durham University w Wielkiej Brytanii, wskazuje na inny typ kosmicznego znacznika – kwazary – który wypełniłby część luki między tymi obserwacjami, mierząc ekspansję Wszechświata do 12 mld lat wstecz.

Kwazary są jądrami galaktyk, w których aktywna supermasywna czarna dziura wciąga materię z otoczenia w bardzo intensywnym tempem, świecąc jasno w widmie elektromagnetycznym. Gdy materia opada na czarną dziurę, tworzy wirujący dysk, który promieniuje w świetle widzialnym i ultrafioletowym; to światło z kolei podgrzewa pobliskie elektrony, generując promieniowanie rentgenowskie.

Trzy lata temu Guido i Elisabeta zdali sobie sprawę, że dobrze znana relacja między promieniowaniem UV a promieniowaniem X kwazarów może być użyta do oszacowania odległości do tych źródeł, i, ostatecznie, do badania historii ekspansji Wszechświata.

Źródła astronomiczne, których właściwości pozwalają astronomom zmierzyć odległość do nich, nazywane są „świecami standardowymi”.

Najbardziej znana klasa świec standardowych – supernowe typu Ia – składa się ze spektakularnych upadków białych karłów po tym, gdy „przejedzą się” materią pochodzącą od ich gwiezdnych towarzyszy, co prowadzi do wybuchu o przewidywanej jasności, która pozwala astronomom określić odległość. Obserwacje tych supernowych pod koniec lat ‘90 ujawniły przyspieszenie ekspansji Wszechświata w ciągu ostatnich kilku miliardów lat.

„Używanie kwazarów jako świec standardowych ma ogromny potencjał, ponieważ możemy obserwować je na znacznie większych odległościach, niż supernowe typu Ia, więc wykorzystuje się je do zbadania znacznie wcześniejszych epok w historii kosmosu” – wyjaśnia Elisabeta.

Mając dużą próbkę kwazarów pod ręką, astronomowie wprowadzili teraz swoją metodę w życie a wyniki są zaskakujące.

Wkopując się w archiwa XMM-Newton, zgromadzili dane rentgenowskie dla ponad 7000 kwazarów, łącząc je z obserwacjami w UV z naziemnego przeglądu Sloan Digital Sky Survey. Wykorzystali również nowy zestaw danych, specjalnie uzyskanych z XMM-Newton w 2017 r. aby spojrzeć na odległe kwazary, obserwując je takimi, jakie były gdy Wszechświat liczył zaledwie 2 mld lat. W końcu uzupełnili dane niewielką liczbą jeszcze bardziej odległych kwazarów i pewnymi względnie bliskimi, obserwowanymi odpowiednio przez Chandra i Swift.

„Tak duża próbka pozwoliła nam zbadać dokładnie związek pomiędzy promieniowaniem X i UV kwazarów w drobiazgowych szczegółach, co znacznie poprawiło naszą technikę szacowania odległości” – mówi Guido.

Nowe obserwacje XMM-Newton odległych kwazarów są tak dokładne, że zespół zidentyfikował nawet dwie różne grupy: 70% źródeł świeci jasno w promieniach rentgenowskich o niskiej energii, podczas gdy pozostałe 30% emituje mniejsze ilości promieniowania X, które charakteryzuje się wyższymi energiami. W dalszej analizie zachowali tylko wcześniejszą grupę źródeł, w których wydaje się, że związek pomiędzy promieniowaniem rentgenowskim i UV jest wyraźny.

Po przejrzeniu danych i zwiększeniu próbki do około 1600 kwazarów, astronomom pozostawiono najlepsze obserwacje prowadzące do rzetelnych szacunków odległości do tych źródeł, które mogliby wykorzystać do zbadania ekspansji Wszechświata.

Analizując ten słabo zbadany okres kosmicznej historii za pomocą kwazarów, astronomowie ujawnili możliwe napięcie w standardowym modelu kosmologicznym, co może wymagać dodania specjalnych parametrów w celu pogodzenia danych z teorią.

Nawiasem mówiąc, ten konkretny model mógłby również załagodzić inne napięcie dotyczące stałej Hubble’a – obecnego tempa kosmicznej ekspansji. Rozbieżność ta została znaleziona między oszacowaniami stałej Hubble’a w lokalnym Wszechświecie, na podstawie danych z supernowych – i, niezależnie, gromadach galaktyk – oraz tych opartych na obserwacjach Plancka CMB we wczesnym Wszechświecie.

„Model ten jest dość interesujący, ponieważ może rozwiązać jednocześnie dwie zagadki, ale będziemy musieli przyjrzeć się jeszcze większej liczbie modeli, zanim rozwiążemy tę kosmiczną zagadkę” – dodaje Guido.

Zespół oczekuje dalszych obserwacji kwazarów w przyszłości, aby jeszcze bardziej udoskonalić swoje wyniki. Dodatkowe wskazówki pojawią się również dzięki misji Euklides zaplanowanej na 2022 rok, która będzie miała na celu zbadanie ostatnich 10 mld lat kosmicznej ekspansji oraz zbadania natury ciemnej materii.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
ESA

Dodaj komentarz

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.