Aktive galakser som standardlys:Er støv synderen bag uoverensstemmelser?
Hvornår startede universet? Hvornår og hvordan blev de første stjerner og galakser dannet? Hvad er universets skæbne?
Den kosmologiske standardmodel, også kendt som LCDM-modellen, kan besvare de fleste af disse spørgsmål. Det kan også forklare egenskaber ved universets rumlige struktur i stor skala – både i dets nuværende form og i fortiden, da de første strukturer lige var ved at dukke op. Desuden kan den via mørk energi adressere den accelererede udvidelse af universet.
På trods af mange succeser har målinger af nærliggende type Ia supernovaer og analyse af fjerntliggende kosmisk mikrobølgebaggrundsdata i løbet af det sidste årti givet inkonsistente værdier for nogle kosmologiske parametre.
Især er der en signifikant forskel i den målte værdi af den aktuelle ekspansionshastighed, også kendt som Hubble-konstanten, mellem værdien bestemt ud fra de fjerne kosmiske mikrobølge-baggrundsmålinger og nogle værdier bestemt fra nærliggende type Ia supernovaobservationer.
For at afgøre, om denne forskel skyldes systematiske problemer med et eller begge datasæt, eller om det er et problem med LCDM-modellen, søges alternative kosmologiske sonder.
Mine kolleger og jeg betragtede kvasarer som sådanne alternative sonder. Disse er aktive kerner i centrum af galakser, der er vært for supermassive sorte huller, der opsamler stof og udsender rigeligt energi. De kan detekteres fra lokaluniverset til den fjerne epoke, hvor de første galakser netop var ved at dannes. Derfor slår de delvis bro over lokale målinger af supernovaer af type Ia med fjerne kosmiske mikrobølgebaggrundsobservationer.
Kan kvasarer hjælpe med at løse de nuværende kosmologiske spændinger?
To metoder
Det kan virke mærkeligt, at aktive galaktiske kerner (AGN), som er ret komplicerede objekter, der indeholder supermassive sorte huller, hvis masser spænder over fem størrelsesordener (en faktor på 100.000) og akkret stof over en bred vifte af hastigheder, kan standardiseres i en analog måde med pulserende Cepheid-stjerner eller eksploderende stjerner (type Ia-supernovaer).
I løbet af de sidste tre årtier, efterhånden som flere og bedre kvalitet, multi-bølgelængde data blev akkumuleret, viste AGN-målinger sig at adlyde to vigtige korrelationer, som begge involverer ioniserende elektromagnetisk stråling, der kommer fra den indre tilvækststrøm omkring det centrale sorte hul i ultraviolette del af det elektromagnetiske spektrum.
En af disse er baseret på korrelationen mellem UV- og røntgenlysstyrkerne (UV/røntgen-forhold). I de fleste AGN adlyder lysstyrkerne af stråling, der udsendes i de ultraviolette og røntgen-dele af det elektromagnetiske spektrum, en ikke-lineær relation. Ud fra dette kan kvasarens lysstyrkeafstand bestemmes, og for en given rødforskydning kan Hubble-diagrammet for AGN konfronteres med forskellige kosmologiske modeller.
Den anden er baseret på opdagelsen af, at lysstyrken af den ioniserende UV-stråling, der udsendes nær det centrale sorte hul, er korreleret med radius af det fjernere område, hvor hurtigt bevægende skyer kredser omkring det centrale sorte hul. Disse skyers bevægelse afsløres gennem deres karakteristiske emission i form af meget brede emissionslinjer, hvis flux er variabel.
Ud fra målingen af tidsforsinkelsen mellem den variable UV-stråling og bredlinieemissionen er det muligt at udlede den absolutte lysstyrke. Ud fra den målte flux kan vi bestemme lysstyrkeafstanden og efterfølgende også teste kosmologiske modeller.
Tilbage står spørgsmålet, om det er muligt at finde en stikprøve af AGN, for hvilken begge relationer kan studeres. Dette ville give mulighed for en konsistenskontrol af de bestemte lysstyrkeafstande og kosmologiske modeller (gennem deres bestemte kosmologiske parameterværdier).
Afvigelse i lysstyrkeafstande
Sammen med min kollega Narayan Khadka fra Stony Brook University (tidligere ved Kansas State University) identificerede vi 58 sådanne AGN og fandt ud af, at de to relationer (UV/røntgenstråle og radius-luminositet) førte til ret forskellige lysstyrkeafstande til hver af kilderne . Dette bør ikke ske, medmindre det ene eller begge datasæt (UV/røntgen og radius-luminositet) ikke tog korrekt højde for nogle effekter. Vores undersøgelse blev offentliggjort i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .
Desuden var de kosmologiske parametre opnået fra disse to relationer ret forskellige, idet UV/røntgen-forholdet foretrak et større stofindhold for det nuværende univers i sammenligning med hvad radius-luminositet-relationen favoriserede. Derudover afviger de kosmologiske parametres værdier bestemt ud fra UV/røntgen-forholdsmålingerne væsentligt fra værdierne bestemt ved brug af standard kosmologiske prober. Dette efterlod os med gåden med at forsøge at finde årsagen til uoverensstemmelsen.
Støvs rolle i galakser
Ved at sammenligne forskelle mellem de to lysstyrkeafstande til hver af de 58 kilder, blev det klart for os, at lysstyrkeafstanden bestemt ud fra UV/røntgen-forholdet er systematisk større end lysstyrkeafstanden udledt af radius-lysstyrkeforholdet. Med Bozena Czerny (Center for Teoretisk Fysik PAS) indså jeg, at en sådan effekt kan være forårsaget af støv, der absorberer og spreder UV- såvel som røntgenfotoner langs synslinjen fra AGN til os.
Selvom de 58 observerede kvasarer er placeret i områder på himlen væk fra Mælkevejens støvskyer (se øverste figur), er de vært i galakser, der indeholder adskillige støvskyer, gennem hvilke de udsendte fotoner skal rejse på deres vej til vores teleskoper.
I vores nylige undersøgelse, offentliggjort i The Astrophysical Journal , viste vi eksplicit, at udryddelsen af de udsendte fotoner på grund af støv altid bidrager til en ikke-nul forskel mellem de to lysstyrkeafstande udledt af AGN-korrelationer, idet de enten er positive eller negative, afhængigt af om røntgen- eller UV-fotoner er mere påvirkede . Da fordelingstoppene er positive for alle kosmologiske modeller, ser udryddelsen af røntgenstråling fra AGN ud til at være mere signifikant for de fleste kvasarer end udryddelsen af UV-lys.
Konklusion
Støv i AGN-værtsgalakser hindrer hovedsageligt anvendeligheden af UV/røntgen-relationen i kosmologi, mens radius-luminositet-relationen stadig synes levedygtig til at omdanne kvasarer til standardlys. Selvom de kosmologiske begrænsninger fra radius-luminositet-relationen stadig er svage på grund af en begrænset prøvestørrelse, giver relationen en guldkant for at bruge kvasarer som kosmologiske sonder, især i en æra med omfattende himmelundersøgelser.
Denne historie er en del af Science X Dialog, hvor forskere kan rapportere resultater fra deres publicerede forskningsartikler. Besøg denne side for at få oplysninger om ScienceX Dialog og hvordan du deltager.
Flere oplysninger: Narayan Khadka et al., Quasar UV/røntgen-relationens lysstyrkeafstande er kortere end efterklangsmålte radius-luminositetsforhold lysstyrkeafstande, Månedlige meddelelser fra 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
Journaloplysninger: Astrofysisk tidsskrift , Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society
Dr. Michal Zajaček er forsker ved Institut for Teoretisk Fysik og Astrofysik, Masaryk Universitet i Brno, Tjekkiet. Han forsvarede sin ph.d.-afhandling i 2017 ved University of Cologne/Max Planck Institute for Radioastronomy, Tyskland, om det galaktiske center, specifikt vedrørende stjernedynamik, stjernedannelse og arten af infrarøde overskydende objekter. I løbet af 2017-2019 var han postdoc-forsker ved MPIfR i Bonn, der arbejdede med jetprecession i blazarer, og i 2019-2021 var han adjunkt ved Center for Teoretisk Fysik, det polske videnskabsakademi i Warszawa, hvor han studerede bredlinjeområdet for kvasarer med mellemrød forskydning og deres anvendelse i kosmologi.
Sidste artikelXMM-Newton opdager et sort hul, der kaster raserianfald
Næste artikelUSA lancerer næste månemission på Valentinsdag
Varme artikler
-
Månedannende skive opdaget omkring en fjern planetEt farveforstærket billede af millimeterbølgeradiosignaler fra ALMA-observatoriet i Chile viser en skive af gas og støv (højre for midten) omkring exoplaneten PDS 70 c, den første nogensinde observati -
Astronomer undersøger en nyligt genaktiveret radiomagnetarKunstnerens forestilling om en kraftfuld magnetar. Billedkredit:ESO/L. Calçada. Et britisk-tysk hold af astronomer har udført observationer af en ejendommelig radiomagneter kendt som XTE J1810-197 -
NASA-astronauter sigter mod Floridas kyst for at afslutte SpaceX-flyvningenPå dette billede fra en video, der er gjort tilgængelig af NASA, astronauterne Doug Hurley, venstre, og Bob Behnken forbereder sig til afdocking fra den internationale rumstation, ombord på SpaceX Cre -
Kunne Trappist-1s syv jordlignende planeter have gasgigantiske søskende?En kunstners opfattelse af TRAPPIST-1 planetsystemet med tilladelse fra NASA/JPL-Caltech. Nyt arbejde fra et hold Carnegie-forskere (og en Carnegie-alumne) spurgte, om nogen gasgigantplaneter pote
- Hvilken type vulkan er ikke forbundet med en pladegrænse?
- Ny forskning undersøger virkningerne af firma-, innovation på industri- og landeniveau på virksom…
- Optisk fiberbilleddannelsesmetode fremmer undersøgelser af Alzheimers sygdom
- Astronomer observerer hidtil usete detaljer i pulsar 6, 500 lysår fra Jorden
- Vrede i Nigerias syd over forsinket oprydning af olieudslip
- Avanceret superplankisk materiale udviser LED-lignende lys, når det opvarmes