Астрономы предполагают, что большинство огромных черных дыр действовали одинаково на протяжении многих эпох.
Астрономы, стремящиеся разгадать некоторые из самых фундаментальных тайн Вселенной, нацелились на новую цель: квазары, бури материи, которые яростно кружатся вокруг колоссальных черных дыр и пронзают космос своим ярким светом.
Эти плохо изученные ядра галактик затмевают почти все остальные объекты во Вселенной. Видимые на немыслимых расстояниях, они могут оказаться именно тем, что нужно исследователям, чтобы понять определенные черты всего космоса, включая его расширение. Ранние попытки использовать мощные прожекторы были сопряжены с неопределенностями, но новый анализ показывает, что объекты могут светить достаточно последовательно, чтобы исследователи могли использовать их для заполнения зияющей дыры в космической истории. “Существует очень огромный разрыв”, - говорит Сюзанна Бизоньи, астрофизик из Национального института астрофизики в Милане, Италия. ”Квазары обладают потенциалом для охвата этого диапазона".
Специальные сверхновые освещают расширяющуюся вселенную
В последние десятилетия золотым стандартом для измерения огромных расстояний была одна из разновидностей звездного взрыва: сверхновая типа 1a. Эти сверхновые обычно взрываются с одинаковой яркостью, поэтому астрономы знают, что более яркие должны быть ближе, а более тусклые-дальше. Эти так называемые “стандартные свечи” показали, что Вселенная расширяется все быстрее и быстрее, подразумевая, что таинственная “темная энергия” разделяет галактики.
Но отдельные звезды, даже взрывающиеся, в конце концов исчезают, когда астрономы всматриваются глубже в темноту. С помощью современных телескопов исследователи не могут увидеть сверхновые типа 1а более девяти-десяти миллиардов лет назад (потому что свету требуются миллиарды лет, чтобы достичь Земли, взгляд в космос также означает взгляд назад во времени). Без каких—либо видимых сверхновых звезд космологи—исследователи, которые специально изучают эволюцию космоса в целом, - остаются в основном в неведении относительно того, что происходило в течение первых четырех миллиардов лет существования Вселенной.
Новая стандартная свеча
Вот тут-то и появляются квазары. Сверхмассивная черная дыра притягивает к себе газ с такой интенсивностью, что вещество раскаляется добела, затмевая всю окружающую ее галактическую систему.
Поскольку астрономы могут различать свечение квазаров в течение первого миллиарда лет существования Вселенной, могут ли эти объекты служить более яркими и проникающими стандартными свечами?
Некоторые астрономы считают, что они могут это сделать благодаря одному важному свойству. Квазары откачивают ультрафиолетовый свет, и некоторые из этих ультрафиолетовых лучей врезаются в окружающее облако горячих электронов, высвобождая рентгеновские лучи более высокой энергии. Поскольку ультрафиолетовый свет предсказуемым образом создает рентгеновские лучи, яркость рентгеновского излучения квазара фиксированным образом связана с его ультрафиолетовой яркостью, независимо от того, насколько далеко находится галактика. Сравнивая ультрафиолетовое и рентгеновское излучение с тем, насколько ярким или тусклым выглядит квазар в целом, астрономы могут использовать его в качестве маркера космической мили.
Или, по крайней мере, такова теория. Оказалось, что это справедливо для многих относительно близких квазаров, но многие детали того, как объекты излучают ультрафиолетовое излучение и рентгеновские лучи, остаются неизвестными. Некоторые исследователи задавались вопросом, вели ли квазары в ранней Вселенной так же, как они ведут себя сейчас.
Чтобы выяснить это, команда итальянских астрономов проанализировала предыдущие наблюдения и заглянула еще дальше в прошлое. Они использовали данные Sloan Digital Sky Survey для поиска квазаров, сияющих в ультрафиолете, и данные Рентгеновской обсерватории Чандра для поиска квазаров, сияющих в рентгеновских лучах, и сравнили две группы. Они обнаружили, что взаимосвязь между этими двумя выбросами сохранялась примерно до 1,3 миллиарда лет после Большого взрыва. Другими словами, квазары стабильно горели на протяжении всей истории Вселенной, как и положено хорошим стандартным свечам.
“Это была необходимая проверка для нас, чтобы мы могли использовать этот метод для измерения расстояний и быть уверенными, что мы не использовали инструмент, который меняется со временем”, - говорит Бизоньи.
Группа опубликовала препринт своего исследования, который был принят журналом Astronomy & Astrophysics7 сентября.
Первый взгляд на древнюю историю
Астрономы подозревают, что их древние квазары уже намекают на то, что описание космоса теоретиками может потребовать серьезных изменений. Когда они рассчитали расстояния до старейших квазаров в 2019 году, их результаты совпали с ведущей “Стандартной моделью” космологии, с одной потенциально новаторской интерпретацией, заключающейся в том, что темная энергия со временем изменилась. “Мы считаем, что это реально”, - говорит Франческа Чивано, астрофизик из команды quasar, которая работает в Центре астрофизики, которым совместно управляют Гарвардский университет и Смитсоновский институт. “Разница довольно существенна”.
Смелые заявления требуют, однако, твердых доказательств, и космологам нужно больше убедительности. Дэн Скольник, космолог из Университета Дьюка, который использует сверхновые типа 1a для точных измерений расширения Вселенной и не участвовал в исследованиях квазаров, похвалил группу как “одну из лучших команд для понимания физики квазаров” и сказал, что они “делают правильные шаги” для проверки потенциала квазаров в качестве стандартных свечей.
Тем не менее он не верит, что текущие наблюдения за квазарами достаточно зрелы, чтобы уничтожить сверхновые, местоположение которых астрономы могут определить в пять раз точнее, чем квазары. Последние работы итальянских астрономов преодолели этот недостаток, проанализировав гору квазаров, достаточно большую, чтобы легко пройти статистические тесты. Но Сколник, например, беспокоится, что в сравнительно зашумленных данных могут скрываться различные разновидности квазаров. “Что меня немного нервирует, так это то, что, когда у вас есть отдельные измерения, которые не очень точны, - говорит он, - вы должны задаться вопросом, какие систематические неопределенности скрываются в этих данных”.
Ситуация прояснится в ближайшие годы. Ожидается, что недавно запущенный рентгеновский космический телескоп, известный как eROSITA, обнаружит миллионы близлежащих квазаров, что может подтвердить их полезность в качестве стандартных свечей в более понятной локальной вселенной, в то время как дополнительные исследования, вероятно, обнаружат больше объектов в окутанной древней вселенной. “Космологи, им нужно серьезно отнестись к квазарам для космологических измерений”, - говорит Чивано. “Они очень хороший ресурс”.
Астрономы, стремящиеся разгадать некоторые из самых фундаментальных тайн Вселенной, нацелились на новую цель: квазары, бури материи, которые яростно кружатся вокруг колоссальных черных дыр и пронзают космос своим ярким светом.
Эти плохо изученные ядра галактик затмевают почти все остальные объекты во Вселенной. Видимые на немыслимых расстояниях, они могут оказаться именно тем, что нужно исследователям, чтобы понять определенные черты всего космоса, включая его расширение. Ранние попытки использовать мощные прожекторы были сопряжены с неопределенностями, но новый анализ показывает, что объекты могут светить достаточно последовательно, чтобы исследователи могли использовать их для заполнения зияющей дыры в космической истории.
“Существует очень огромный разрыв”, - говорит Сюзанна Бизоньи, астрофизик из Национального института астрофизики в Милане, Италия. ”Квазары обладают потенциалом для охвата этого диапазона".
Специальные сверхновые освещают расширяющуюся вселенную
В последние десятилетия золотым стандартом для измерения огромных расстояний была одна из разновидностей звездного взрыва: сверхновая типа 1a. Эти сверхновые обычно взрываются с одинаковой яркостью, поэтому астрономы знают, что более яркие должны быть ближе, а более тусклые-дальше. Эти так называемые “стандартные свечи” показали, что Вселенная расширяется все быстрее и быстрее, подразумевая, что таинственная “темная энергия” разделяет галактики.Но отдельные звезды, даже взрывающиеся, в конце концов исчезают, когда астрономы всматриваются глубже в темноту. С помощью современных телескопов исследователи не могут увидеть сверхновые типа 1а более девяти-десяти миллиардов лет назад (потому что свету требуются миллиарды лет, чтобы достичь Земли, взгляд в космос также означает взгляд назад во времени). Без каких—либо видимых сверхновых звезд космологи—исследователи, которые специально изучают эволюцию космоса в целом, - остаются в основном в неведении относительно того, что происходило в течение первых четырех миллиардов лет существования Вселенной.
Новая стандартная свеча
Вот тут-то и появляются квазары. Сверхмассивная черная дыра притягивает к себе газ с такой интенсивностью, что вещество раскаляется добела, затмевая всю окружающую ее галактическую систему.Поскольку астрономы могут различать свечение квазаров в течение первого миллиарда лет существования Вселенной, могут ли эти объекты служить более яркими и проникающими стандартными свечами?
Некоторые астрономы считают, что они могут это сделать благодаря одному важному свойству. Квазары откачивают ультрафиолетовый свет, и некоторые из этих ультрафиолетовых лучей врезаются в окружающее облако горячих электронов, высвобождая рентгеновские лучи более высокой энергии. Поскольку ультрафиолетовый свет предсказуемым образом создает рентгеновские лучи, яркость рентгеновского излучения квазара фиксированным образом связана с его ультрафиолетовой яркостью, независимо от того, насколько далеко находится галактика. Сравнивая ультрафиолетовое и рентгеновское излучение с тем, насколько ярким или тусклым выглядит квазар в целом, астрономы могут использовать его в качестве маркера космической мили.
Или, по крайней мере, такова теория. Оказалось, что это справедливо для многих относительно близких квазаров, но многие детали того, как объекты излучают ультрафиолетовое излучение и рентгеновские лучи, остаются неизвестными. Некоторые исследователи задавались вопросом, вели ли квазары в ранней Вселенной так же, как они ведут себя сейчас.
Чтобы выяснить это, команда итальянских астрономов проанализировала предыдущие наблюдения и заглянула еще дальше в прошлое. Они использовали данные Sloan Digital Sky Survey для поиска квазаров, сияющих в ультрафиолете, и данные Рентгеновской обсерватории Чандра для поиска квазаров, сияющих в рентгеновских лучах, и сравнили две группы. Они обнаружили, что взаимосвязь между этими двумя выбросами сохранялась примерно до 1,3 миллиарда лет после Большого взрыва. Другими словами, квазары стабильно горели на протяжении всей истории Вселенной, как и положено хорошим стандартным свечам.
“Это была необходимая проверка для нас, чтобы мы могли использовать этот метод для измерения расстояний и быть уверенными, что мы не использовали инструмент, который меняется со временем”, - говорит Бизоньи.
Группа опубликовала препринт своего исследования, который был принят журналом Astronomy & Astrophysics7 сентября.
Первый взгляд на древнюю историю
Астрономы подозревают, что их древние квазары уже намекают на то, что описание космоса теоретиками может потребовать серьезных изменений. Когда они рассчитали расстояния до старейших квазаров в 2019 году, их результаты совпали с ведущей “Стандартной моделью” космологии, с одной потенциально новаторской интерпретацией, заключающейся в том, что темная энергия со временем изменилась. “Мы считаем, что это реально”, - говорит Франческа Чивано, астрофизик из команды quasar, которая работает в Центре астрофизики, которым совместно управляют Гарвардский университет и Смитсоновский институт. “Разница довольно существенна”.Смелые заявления требуют, однако, твердых доказательств, и космологам нужно больше убедительности. Дэн Скольник, космолог из Университета Дьюка, который использует сверхновые типа 1a для точных измерений расширения Вселенной и не участвовал в исследованиях квазаров, похвалил группу как “одну из лучших команд для понимания физики квазаров” и сказал, что они “делают правильные шаги” для проверки потенциала квазаров в качестве стандартных свечей.
Тем не менее он не верит, что текущие наблюдения за квазарами достаточно зрелы, чтобы уничтожить сверхновые, местоположение которых астрономы могут определить в пять раз точнее, чем квазары. Последние работы итальянских астрономов преодолели этот недостаток, проанализировав гору квазаров, достаточно большую, чтобы легко пройти статистические тесты. Но Сколник, например, беспокоится, что в сравнительно зашумленных данных могут скрываться различные разновидности квазаров.
“Что меня немного нервирует, так это то, что, когда у вас есть отдельные измерения, которые не очень точны, - говорит он, - вы должны задаться вопросом, какие систематические неопределенности скрываются в этих данных”.
Ситуация прояснится в ближайшие годы. Ожидается, что недавно запущенный рентгеновский космический телескоп, известный как eROSITA, обнаружит миллионы близлежащих квазаров, что может подтвердить их полезность в качестве стандартных свечей в более понятной локальной вселенной, в то время как дополнительные исследования, вероятно, обнаружат больше объектов в окутанной древней вселенной.
“Космологи, им нужно серьезно отнестись к квазарам для космологических измерений”, - говорит Чивано. “Они очень хороший ресурс”.