Nowa metoda wyznaczania odległości we Wszechświecie wykorzystuje kwazary
Dwie pary kwazarów, które istniały 10 miliardów lat temu i znajdują się w sercach łączących się galaktyk. Credit: NASA, ESA, H. Hwang and N. Zakamska (Johns Hopkins University), and Y. Shen (University of Illinois, Urbana-Champaign)
Międzynarodowa grupa naukowców, przy udziale prof. Marka Biesiady z Narodowego Centrum Badań Jądrowych, proponuje użycie kwazarów do wyznaczania odległości do ciał niebieskich. Metoda mogłaby być stosowana do obiektów, których obraz dociera do nas nawet sprzed 13 miliardów lat.
Jak wyjaśniono w komunikacie NCBJ, kwazary to obiekty pozagalaktyczne – tzw. aktywne jądra galaktyk, składające się z centralnej supermasywnej czarnej dziury ściągającej na siebie otaczającą materię (tzw. akrecja). Dysk akrecyjny, z którego materia wpada do czarnej dziury, jest otoczony sferyczną otoczką – tzw. gorącą koroną, zaś w dalszej odległości od dysku tworzy się pyłowy torus. Dysk akrecyjny promieniuje w ultrafiolecie. Fotony UV przelatują przez gorącą koronę, gdzie swobodne elektrony mają bardzo duże energie kinetyczne. Fotony o energiach z zakresu UV mają małe długości fali – są bardziej „cząstkami” niż „falami”. W związku z tym, oddziałują z elektronami zderzając się z nimi jak kule bilardowe i przejmują od elektronów energię (jest to tzw. zjawisko Comptona). W ten sposób fotony UV stają się fotonami X. Zależność ta między mocami promieniowania w UV i X jest nieliniowa, ale może być opisana modelem matematycznym.
Autorzy pracy, opublikowanej niedawno na łamach czasopisma „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” (https://doi.org/10.1093/mnras/stab2154) wykazali, na podstawie próbki 2421 kwazarów zebranych w 2020 r. przez włoski zespół E. Lusso i G. Risalitiego, że korelacja jasności UV-X jest silnie powiązana z odległościami kosmologicznymi.
„Jest tak dlatego, że owa korelacja ustalana jest na jasnościach obserwowanych, a fizycznie odpowiadają za nią moce promieniowania UV oraz X” – wyjaśnia, cytowany w komunikacie, prof. Marek Biesiada z Zakładu Astrofizyki NCBJ, współautor pracy. „Obserwowane jasności, z kolei, zależą od mocy i odległości. Ponieważ kwazary obserwowane są też na odległościach stosowalności metody świec standardowych supernowych Ia, możemy zmierzyć odległość do nich dwoma metodami: SN Ia oraz nową. Pozwala to skalibrować metodę wykorzystującą kwazary” - dodaje.
Naukowcy spodziewają się, że nowa metoda pozwoli wyznaczać odległości kosmologiczne do bardzo odległych obiektów, dla których redshift „z” wynikający z rozszerzania się Wszechświata wynosi nawet 7.5.
Autorzy przeprowadzili testy, by zweryfikować słuszność proponowanej metody. Jednym z nich była rekonstrukcja ewolucji Wszechświata według powszechnie przyjmowanego modelu ΛCDM: Wszechświata z zimną ciemną materią oraz z ciemną energią przyspieszającą jego ekspansję.
„Dane uzyskane przy pomocy ‘metody kwazarów’ wykazały, w granicy niepewności, dużą zgodność z modelem ΛCDM” – mówi prof. Biesiada.
„Do danych dopasowaliśmy model ΛCDM, gdzie wolnymi zmiennymi były parametry tego modelu. Wyznaczona na tej podstawie gęstość materii jest zgodna z wartością uzyskaną z innych obserwacji kosmologicznych. Istotą tej pracy była metoda kalibracji kwazarów nie odwołująca się do modelu kosmologicznego – aby nie wpaść w błędne koło stosując później kwazary do testowania modeli kosmologicznych. Wykorzystaliśmy w tym celu stochastyczne procesy gaussowskie. Jest to statystyczna procedura rekonstrukcji historii ekspansji Wszechświata odwołująca się wyłącznie do danych, nie zaś do konkretnego modelu. Wybitnym znawcą tej techniki jest prof. Arman Shafieloo z Korei – współautor naszej pracy. Oprócz tej ważnej publikacji, wraz z grupą prof. Shuo Cao z Pekinu udało się nam (w innych publikacjach) zastosować kwazary do testowania alternatywnych teorii grawitacji oraz przeźroczystości przestrzeni międzygalaktycznej" - opisuje naukowiec.
Dodaje, że wraz z kolegami z Chin opracowali też inną próbkę kwazarów. "Tym razem nie w oparciu o ich promieniowanie UV i X, lecz o rozmiary kątowe kwazarów obserwowanych jako zwarte radioźródła. Służą one nie jako świece, lecz tzw. linijki standardowe. Linijki standardowe to obiekty, których fizyczne rozmiary potrafimy poznać. Im dalej znajduje się taki obiekt o znanym rozmiarze, tym mniejszy się wydaje (ma mniejszy rozmiar kątowy). Możemy więc określić jego odległość. Nasza próbka sięga równie głęboko w przesunięciach ku czerwieni i wspólne zastosowanie jej wraz ze skalibrowanymi kwazarami UV-X jest obiecujące" - wskazuje badacz.
PAP - Nauka w Polsce
agt/
Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.
