Астрономы, стремящиеся разгадать некоторые из самых фундаментальных тайн Вселенной, нацелились на новую цель: квазары, бури материи, которые бурно вращаются вокруг колоссальных черных дыр и пронзают космос своим ярким светом.
Эти малоизученные галактические ядра затмевают практически все остальные объекты во Вселенной. Видимые на немыслимых расстояниях, они могут оказаться именно тем, что нужно исследователям для понимания некоторых характеристик всего космоса, включая его расширение. Первые попытки использовать могучие прожекторы были сопряжены с неопределенностью, но новый анализ показывает, что эти объекты могут светить достаточно стабильно, чтобы исследователи могли использовать их для заполнения зияющей дыры в космической истории.
"Существует очень большой разрыв", - говорит Сусанна Бисогни, астрофизик из Национального института астрофизики в Милане, Италия. "Квазары обладают потенциалом для преодоления этого диапазона".
Особые сверхновые освещают расширяющуюся Вселенную
В последние десятилетия золотым стандартом для измерения огромных расстояний был один из видов звездных взрывов: 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" раздвигает галактики.
Но отдельные звезды, даже взорвавшиеся, в конце концов исчезают по мере того, как астрономы заглядывают все глубже в темноту. С помощью современных телескопов исследователи не могут увидеть сверхновые типа 1a, произошедшие более девяти-десяти миллиардов лет назад (поскольку свету требуются миллиарды лет, чтобы достичь Земли, смотреть в космос - значит смотреть назад во времени). Без видимых сверхновых космологи, специально изучающие эволюцию космоса в целом, остаются в полном неведении относительно того, что происходило в первые четыре миллиарда лет существования Вселенной.
Свеча нового стандарта
Именно здесь и появляются квазары. Сверхмассивная черная дыра притягивает к себе газ с такой силой, что вещество раскаляется до бела, затмевая всю окружающую ее галактическую систему.
Поскольку астрономы могут различить вспышки квазаров в течение первого миллиарда лет существования Вселенной, могут ли эти объекты служить более яркими и проникающими стандартными свечами?
Некоторые астрономы считают, что это так, благодаря одному важному свойству. Квазары излучают ультрафиолетовый свет, и некоторые из этих ультрафиолетовых лучей разбиваются об окружающее облако горячих электронов, высвобождая рентгеновские лучи более высокой энергии. Поскольку ультрафиолетовое излучение создает рентгеновские лучи предсказуемым образом, рентгеновская яркость квазара связана с его ультрафиолетовой яркостью фиксированным образом, независимо от того, как далеко находится галактика. Сравнивая ультрафиолетовое и рентгеновское излучение с тем, насколько ярким или тусклым кажется квазар в целом, астрономы могут использовать его в качестве космического маркера.
Или, по крайней мере, такова теория. Она оказалась верной для многих относительно близких квазаров, но многие детали того, как эти объекты излучают ультрафиолетовый свет и рентгеновские лучи, остаются неизвестными. Некоторые исследователи сомневаются, что квазары в ранней Вселенной вели себя так же, как и сейчас.
Чтобы выяснить это, группа итальянских астрономов прочесала старые наблюдения и заглянула еще дальше в прошлое. Они использовали данные Слоановского цифрового обзора неба для поиска квазаров, светящихся в ультрафиолете, и данные рентгеновской обсерватории Чандра для поиска квазаров, светящихся в рентгеновских лучах, и сравнили эти две группы. Они обнаружили, что связь между двумя излучениями сохраняется вплоть до 1,3 миллиарда лет после Большого взрыва. Другими словами, квазары горели стабильно на протяжении всей истории Вселенной, как и положено хорошим стандартным свечам.
"Это была необходимая проверка, чтобы мы могли использовать этот метод для измерения расстояний, и чтобы быть уверенными, что мы не используем инструмент, который меняется во времени", - говорит Бисогни.
Группа опубликовала препринт своего исследования, который был принят журналом Astronomy & Astrophysics, 7 сентября.
Первый взгляд на древнюю историю
Астрономы подозревают, что их древние квазары уже намекают на то, что теоретические представления о космосе могут нуждаться в серьезных изменениях. Когда в 2019 году они рассчитали расстояния до самых старых квазаров, их результаты вступили в противоречие с ведущей "Стандартной моделью" космологии, причем одна из потенциально революционных интерпретаций заключается в том, что темная энергия изменилась со временем. "Мы думаем, что это реально", - говорит Франческа Чивано, астрофизик из команды по квазарам, работающая в Центре астрофизики, которым совместно руководят Гарвардский университет и Смитсоновский институт. "Разница весьма существенна".
Однако смелые заявления требуют весомых доказательств, и космологам нужны более убедительные аргументы. Дэн Сколник, космолог из Университета Дьюка, который использует сверхновые типа 1a для точных измерений расширения Вселенной и не участвовал в исследовании 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 считает, что нынешние наблюдения за квазарами достаточно зрелы, чтобы оттеснить сверхновые, местоположение которых астрономы могут определить в пять раз точнее, чем квазары. Последняя работа итальянских астрономов преодолевает этот недостаток, анализируя гору квазаров, достаточно большую, чтобы легко пройти статистические тесты. Однако Сколник опасается, например, что в сравнительно шумных данных могут скрываться различные разновидности квазаров.
"Меня немного нервирует 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. Недавно запущенный рентгеновский космический телескоп, известный как eROSITA, как ожидается, обнаружит миллионы близлежащих квазаров, что может подтвердить их полезность в качестве стандартных свечей в более понятной местной Вселенной, а дополнительные исследования, вероятно, откроют больше объектов в окутанной пеленой древней Вселенной.
"Космологи, они должны серьезно относиться к квазарам для космологических измерений", - говорит Чивано. "Они являются очень хорошим ресурсом".