När började universum? När och hur bildades de första stjärnorna och galaxerna? Vad är universums öde?
Den vanliga kosmologiska modellen, även känd som LCDM-modellen, kan svara på de flesta av dessa frågor. Det kan också förklara egenskaperna hos universums storskaliga rumsliga struktur – både i dess nuvarande form och i det förflutna, när de första strukturerna precis växte fram. Dessutom kan den via mörk energi ta itu med den accelererade expansionen av universum.
Trots många framgångar, under det senaste decenniet, har mätningar av närliggande supernovor av typ Ia och analys av avlägsna kosmiska mikrovågsbakgrundsdata gett inkonsekventa värden för vissa kosmologiska parametrar.
I synnerhet finns det en signifikant skillnad i det uppmätta värdet för den aktuella expansionshastigheten, även känd som Hubble-konstanten, mellan värdet som bestämts från de avlägsna kosmiska mikrovågsbakgrundsmätningarna och vissa värden bestämt från närliggande supernovaobservationer av typ Ia.
För att avgöra om denna skillnad beror på systematiska problem med en eller båda datamängderna eller om det är ett problem med LCDM-modellen, söks alternativa kosmologiska sonder.
Mina kollegor och jag betraktade kvasarer som sådana alternativa sonder. Dessa är aktiva kärnor i centrum av galaxer som är värd för supermassiva svarta hål som ansamlar materia och avger ymnigt energi. De kan upptäckas från lokaluniversumet till den avlägsna epok när de första galaxerna precis bildades. Därför överbryggar de delvis lokala mätningar av supernovor av typ Ia med avlägsna kosmiska mikrovågsbakgrundsobservationer.
Kan kvasarer hjälpa till att lösa nuvarande kosmologiska spänningar?
Det kan tyckas konstigt att aktiva galaktiska kärnor (AGN), som är ganska komplicerade objekt som innehåller supermassiva svarta hål, vars massor spänner över fem storleksordningar (en faktor på 100 000) och ackret materia över ett brett spektrum av hastigheter, kan standardiseras i en analogt sätt med pulserande Cepheidstjärnor eller exploderande (typ Ia supernovor) stjärnor.
Under de senaste tre decennierna, när fler och bättre kvalitet, multivåglängdsdata ackumulerades, visade sig AGN-mätningar följa två viktiga korrelationer, som båda involverar joniserande elektromagnetisk strålning som kommer från det inre ackretionsflödet runt det centrala svarta hålet i ultravioletta delen av det elektromagnetiska spektrumet.
En av dessa är baserad på korrelationen mellan UV- och röntgenljusstyrkorna (UV/röntgen-relation). I de flesta AGN följer ljusstyrkorna av strålning som sänds ut i de ultravioletta och röntgenstrålande delarna av det elektromagnetiska spektrumet ett olinjärt förhållande. Baserat på detta kan kvasarens ljusavstånd bestämmas, och för en given rödförskjutning kan Hubble-diagrammet för AGN konfronteras med olika kosmologiska modeller.
Den andra är baserad på upptäckten att ljusstyrkan hos den joniserande UV-strålningen som sänds ut nära det centrala svarta hålet är korrelerad med radien för det mer avlägsna området där snabbt rörliga moln kretsar runt det centrala svarta hålet. Rörelsen hos dessa moln avslöjas genom deras karakteristiska emission i form av mycket breda emissionslinjer vars flöde är variabelt.
Från mätningen av tidsfördröjningen mellan den variabla UV-strålningen och den breda emissionen är det möjligt att sluta sig till den absoluta ljusstyrkan. Från det uppmätta flödet kan vi bestämma ljusstyrkans avstånd och därefter testa kosmologiska modeller också.
Frågan kvarstår om det är möjligt att hitta ett urval av AGN för vilket båda sambanden kan studeras. Detta skulle möjliggöra en konsistenskontroll av de fastställda luminositetsavstånden och kosmologiska modellerna (genom deras bestämda kosmologiska parametervärden).
Tillsammans med min kollega Narayan Khadka från Stony Brook University (tidigare vid Kansas State University) identifierade vi 58 sådana AGN och fann att de två relationerna (UV/röntgen och radie-luminositet) ledde till helt olika ljusstyrka avstånd till var och en av källorna . Detta bör inte hända såvida inte en eller båda datamängderna (UV/röntgen och radie-luminositet) inte korrekt redogjorde för vissa effekter. Vår studie publicerades i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .
Dessutom var de kosmologiska parametrarna som erhölls från dessa två relationer helt olika, där UV/röntgenrelationen föredrog ett större materiainnehåll för dagens universum jämfört med vad radie-luminositetsrelationen gynnade. Dessutom skiljer sig de kosmologiska parametrarnas värden som bestämts från UV/röntgenrelationsmätningarna signifikant från de värden som bestämts med användning av standardiserade kosmologiska sonder. Detta lämnade oss med pusslet att försöka upptäcka orsaken till avvikelsen.
Genom att jämföra skillnaderna mellan de två ljuskraftsavstånden till var och en av de 58 källorna blev det uppenbart för oss att ljusstyrkans avstånd som bestämts från UV/röntgen-relationen är systematiskt större än ljusstyrkeavståndet som härleds från radie-luminositetsrelationen. Med Bozena Czerny (Center for Theoretical Physics PAS) insåg jag att en sådan effekt kan orsakas av damm som absorberar och sprider UV samt röntgenfotoner längs siktlinjen från AGN till oss.
Även om de 58 observerade kvasarerna är belägna i områden på himlen borta från Vintergatans dammmoln (se översta bilden), finns de i galaxer som innehåller många dammmoln genom vilka de emitterade fotonerna måste färdas på sin väg till våra teleskop.
I vår senaste studie, publicerad i The Astrophysical Journal , visade vi uttryckligen att utsläckningen av de emitterade fotonerna på grund av damm alltid bidrar till en skillnad från noll mellan de två ljusavstånden som härleds från AGN-korrelationer, antingen positiva eller negativa, beroende på om röntgen- eller UV-fotoner är mer påverkade . Eftersom distributionstopparna är positiva för alla kosmologiska modeller, verkar utrotningen av röntgenstrålning från AGN vara mer signifikant för de flesta kvasarer än utrotningen av UV-ljus.
Damm i AGN-värdgalaxer hindrar huvudsakligen tillämpbarheten av UV/röntgen-relationen i kosmologi, medan radie-luminositetsrelationen fortfarande verkar lönsam för att förvandla kvasarer till standardljus. Även om de kosmologiska begränsningarna från förhållandet radie-luminositet fortfarande är svaga på grund av en begränsad provstorlek, ger relationen ett guldkant för att använda kvasarer som kosmologiska sonder, särskilt i en tidevarv med omfattande himmelundersökningar.
Den här historien är en del av Science X Dialog, där forskare kan rapportera resultat från sina publicerade forskningsartiklar. Besök den här sidan för information om ScienceX Dialog och hur du deltar.
Mer information: Narayan Khadka et al, Quasar UV/röntgenrelationens ljusstyrka avstånd är kortare än efterklangsuppmätt radie–luminositetsrelation ljusstyrkeavstånd, Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society (2023). DOI:10.1093/mnras/stad1040
Michal Zajaček et al, Effect of Extinction on Quasar Luminosity Distances Determined from UV and X-Ray Flux Measurements, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad11dc
Journalinformation: Astrofysisk tidskrift , Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society
Dr. Michal Zajaček är forskare vid institutionen för teoretisk fysik och astrofysik, Masaryk University i Brno, Tjeckien. Han försvarade sin doktorsavhandling 2017 vid universitetet i Köln/Max Planck Institute for Radioastronomy, Tyskland, om det galaktiska centret, särskilt om stjärndynamik, stjärnbildning och arten av infraröda överskottsobjekt. Under 2017–2019 var han postdoktor vid MPIfR i Bonn, arbetade med jetprecession i blazarer, och under 2019–2021 var han biträdande professor vid Centre for Theoretical Physics, Polska vetenskapsakademin i Warszawa, där han studerade den breda linjen av kvasarer med mellanröd skiftning och deras tillämpning i kosmologi.
