_ Galaxii active ca standard lumânări: praful este vinovatul din spatele discrepanțelor?

Când a început universul? Când și cum s-au format primele stele și galaxii? Care este soarta universului?

Modelul cosmologic standard, cunoscut și sub denumirea de model LCDM, poate răspunde la majoritatea acestor întrebări. Poate explica, de asemenea, proprietățile structurii spațiale la scară largă a universului - atât în ​​forma sa actuală, cât și în trecut, când primele structuri tocmai apăruseră. În plus, prin intermediul energiei întunecate, poate aborda expansiunea accelerată a universului.

În ciuda multor succese, în ultimul deceniu, măsurătorile supernovelor de tip Ia din apropiere și analiza datelor de fundal ale microundelor cosmice la distanță au furnizat inconsecvente. valori pentru unii parametri cosmologici.

În special, există o diferență semnificativă în valoarea măsurată a ratei de expansiune curentă, cunoscută și sub denumirea de constantă Hubble, între valoarea determinată din măsurătorile de fond cosmic-micunde la distanță. și unele valori determinate din observațiile supernovei de tip Ia din apropiere.

Pentru a determina dacă această diferență se datorează unor probleme sistematice cu unul sau ambele seturi de date sau dacă este o problemă cu modelul LCDM, sunt necesare sonde cosmologice alternative. căutat.

Colegii mei și cu mine am considerat quasarii drept astfel de sonde alternative. Acestea sunt nuclee active din centrul galaxiilor care găzduiesc găuri negre supermasive care acumulează materie și emit abundent energie. Ele pot fi detectate din universul local până în epoca îndepărtată când tocmai se formau primele galaxii. Prin urmare, ele unesc parțial măsurătorile locale ale supernovelor de tip Ia cu observațiile de fond cosmice cu microunde la distanță.

Pot quasarii să ajute la rezolvarea tensiunilor cosmologice actuale?

Poate părea ciudat că nucleele galactice active (AGN) ), care sunt obiecte destul de complicate care conțin găuri negre supermasive, ale căror mase se întind pe cinci ordine de mărime (un factor de 100.000) și acumulează materie într-o gamă largă de rate, ar putea fi standardizate într-un mod analog cu stelele cefeide pulsante sau cu explozie (tip Ia supernove) stele.

În ultimele trei decenii, pe măsură ce s-au acumulat date de mai multe lungimi de undă și de calitate mai bună, s-a constatat că măsurătorile AGN respectă două corelații importante, ambele implicând radiația electromagnetică ionizantă care vine din fluxul de acreție interioară în jurul găurii negre centrale din partea ultravioletă a spectrului electromagnetic.

Una dintre acestea se bazează pe corelația dintre luminozitățile UV și razele X (relația UV/raze X). ). În majoritatea AGN, luminozitățile radiațiilor emise în părțile ultraviolete și cu raze X ale spectrului electromagnetic respectă o relație neliniară. Pe baza acesteia, se poate determina distanța de luminozitate a quasarului, iar pentru o deplasare către roșu dată, diagrama Hubble a AGN poate fi confruntă cu diferite modele cosmologice.

Al doilea se bazează pe descoperirea că luminozitatea radiației UV ionizante emise în apropierea găurii negre centrale este corelată cu raza regiunii mai îndepărtate în care norii care se mișcă rapid orbitează în jurul găurii negre centrale. Mișcarea acestor nori este dezvăluită prin emisia lor caracteristică sub formă de linii de emisie foarte largi al căror flux este variabil.

Din măsurarea întârzierii de timp dintre radiația UV variabilă și emisia de linie largă, se poate deduce luminozitatea absolută. Din fluxul măsurat, putem determina distanța de luminozitate și, ulterior, putem testa și modele cosmologice.

Întrebarea rămâne dacă este posibil să se găsească un eșantion de AGN pentru care să poată fi studiate ambele relații. Acest lucru ar permite o verificare a coerenței distanțelor de luminozitate determinate și modelelor cosmologice (prin valorile lor determinate ale parametrilor cosmologici).

Cu colegul meu Narayan Khadka de la Universitatea Stony Brook (fostă la Universitatea de Stat din Kansas), am identificat 58 de astfel de AGN și am constatat că cele două relații (UV/raze X și rază-luminozitate) au dus la destul de diferite. distanţele de luminozitate faţă de fiecare dintre surse. Acest lucru nu ar trebui să se întâmple decât dacă unul sau ambele seturi de date (UV/raze X și rază-luminozitate) nu au luat în considerare în mod corespunzător unele efecte. Studiul nostru a fost publicat în Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Mai mult, parametrii cosmologici obținuți din aceste două relații au fost destul de diferiți, relația UV/raze X preferând un conținut de materie mai mare pentru prezent. -universul zilei în comparație cu ceea ce a favorizat relația rază-luminozitate. În plus, valorile parametrilor cosmologici determinate din măsurătorile relației UV/raze X diferă semnificativ de valorile determinate folosind sonde cosmologice standard. Acest lucru ne-a lăsat cu puzzle-ul de a încerca să descoperim cauza discrepanței.

Comparând diferențele dintre cele două distanțe de luminozitate față de fiecare dintre cele 58 de surse, ne-a devenit evident că distanța de luminozitate determinată de Relația UV/raze X este sistematic mai mare decât distanța de luminozitate dedusă din relația rază-luminozitate. Cu Bozena Czerny (Centrul pentru Fizica Teoretică PAS), mi-am dat seama că un astfel de efect poate fi cauzat de praful care absoarbe și împrăștie UV precum și fotonii de raze X de-a lungul liniei de vedere de la AGN la noi.

Deși cei 58 de quasari observați sunt localizați în regiuni ale cerului departe de norii de praf din Calea Lactee (vezi figura de sus), ei sunt găzduiți în galaxii care conțin numeroși nori de praf prin care fotonii emiși trebuie să călătorească în drumul lor către telescoapele noastre. .

În studiul nostru recent, publicat în The Astrophysical Journal, am arătat în mod explicit că dispariția fotonilor emiși din cauza prafului contribuie întotdeauna la o diferență diferită de zero între cele două distanțe de luminozitate deduse din corelațiile AGN, fiind fie pozitive, fie negative, în funcție de dacă fotonii cu raze X sau UV sunt mai afectați. Deoarece vârfurile de distribuție sunt pozitive pentru toate modelele cosmologice, stingerea emisiilor de raze X din AGN pare a fi mai semnificativă pentru majoritatea quasarelor decât stingerea luminii UV.

Praful din galaxiile gazdă AGN împiedică în principal aplicabilitatea relației UV/raze X în cosmologie, în timp ce relația rază-luminozitate pare încă viabilă pentru transformarea quasarelor în lumânări standard. Deși constrângerile cosmologice din relația rază-luminozitate sunt încă slabe din cauza unei dimensiuni limitate a eșantionului, relația oferă o bază clară pentru utilizarea quasarelor ca sonde cosmologice, în special în epoca cercetărilor extinse ale cerului.

Acest lucru. povestea face parte din Science X Dialog, unde cercetătorii pot raporta constatările din articolele lor de cercetare publicate. Vizitați această pagină pentru informații despre ScienceX Dialog și despre cum să participați.

Dr. Michal Zajaček este cercetător la Departamentul de Fizică Teoretică și Astrofizică, Universitatea Masaryk din Brno, Republica Cehă. El și-a susținut teza de doctorat în 2017 la Universitatea din Köln/Institutul Max Planck pentru Radioastronomie, Germania, privind centrul galactic, în special în ceea ce privește dinamica stelară, formarea stelelor și natura obiectelor în exces în infraroșu. În perioada 2017–2019, a fost cercetător postdoctoral la MPIfR din Bonn, lucrând la precesiunea jet în blazarii, iar în perioada 2019–2021, a fost profesor asistent la Centrul de Fizică Teoretică, Academia Polonă de Științe din Varșovia, unde a studiat regiunea generală a quasarelor cu deplasare spre roșu intermediară și aplicarea lor în cosmologie.

(Fluierul)