Астрономи знайшли спосіб використати квазари, як стандартні свічки. Це, можливо, матиме далекосяжні наслідки у питанні з’ясування природи загадкової темної енергії.
Два десятиліття тому астрономи виявили, що Всесвіт не тільки розширюється, але це розширення відбувається з прискоренням. Вони назвали причину цього прискорення темною енергією, яка досі є маловивченою.
Дивна сила відштовхування залишила «відбитки пальців» на дуже давніх фотонах, які ми нині спостерігаємо як космічний мікрохвильовий фон (cosmic microwave background, CMB) ― він виник, коли Всесвіту було лише 370 тисяч років. Проте темна енергія почала «підганяти» розширення, коли Всесвіт дійшов середнього віку, тобто після 9 мільярдів років.
Ця діаграма показує зміну темпів розширення Всесвіту з моменту Великого Вибуху. Астрономи з’ясували, що коли Всесвіту було близько 5 мільярдів років, якась таємнича сила стала змушувати галактики розлітатися швидше. Фото з сайту www.skyandtelescope.com.
Тепер Ґуідо Рісаліті (Guido Risaliti) з Університету Флоренції та Астрофізичної обсерваторії Арчетрі (Італія) і Елізабета Луссо (Elisabeta Lusso) з Університету Дарема (Великобританія) пропонують використати квазари для дослідження досі невивченого етапу в розвитку молодого Всесвіту. Результати дослідження, оприлюднені журналом Nature Astronomy 28 січня, обіцяють розкрити справжню природу темної енергії.
Прийнятне пояснення природи темної енергії вже є давно ― енергія вакууму, яку також називають космологічною сталою. Цю енергію, притаманну порожньому простору, описує квантова теорія, яка вказує на те, що навіть коли простір є порожнім від частинок, він фактично заповнений квантовими полями. Ці поля створюють негативний тиск, що протидіє силі тяжіння. Проте розрахункові значення енергії вакууму відрізняються від виміряного значення щільності темної енергії на разючі 120 порядків (це 1, за якою слідують 120 нулів!). Те, що космологічна стала залишається фаворитом теорії, говорить про те, наскільки мало ми розуміємо природу темної енергії та наскільки важко виконувати вимірювання.
Вивчення Всесвіту на будь-якому етапі його розвитку починається з вимірювання космологічної відстані ― що далі ми дивимося, то далі в часі бачимо. Але не можна розгорнути рулетку до зір. Слід запровадити стандартні свічки, тобто об’єкти, світність яких можна виміряти. Порівнявши, наскільки яскравою зі спостережень є стандартна свічка, з її справжньою яскравістю, можна визначити відстань до неї не знаючи нічого про космологію.
Наднові зорі типу Ia вже давно є найяскравішими зі стандартних свічок. Спостереження за цими білими карликами, що вибухають, привели до відкриття в 1998 році, згодом удостоєного Нобелівською премією, прискореного розширення. Це дуже гарна рулетка! Але вона дає змогу вивчати Всесвіт в епоху, коли темна енергія почала панувати над його розширенням. Щоб побачити далі, й дослідити епоху, коли темна енергія опанувала матерію, астрономам потрібно щось ще яскравіше.
Але що може бути більш яскравішим, ніж зоря, яка вибухнула? Надмасивна чорна діра, яка поглинає газ. Саме тому яскравість квазарів така, що їх можна побачити з відстаней, коли Всесвіту було менше мільярда років. Це робить їх головними об’єктами, щоб «дістатися» його ранніх епох.
На жаль, квазари також мають різноманітні форми, які важко зрозуміти, а тому астрономи досі вважали, що в світі квазарів годі знайти якісь стандарти. Наприклад, астрономи протягом останніх 30 років знали, що квазари з високими видимими блиском виділяють відносно менше рентгенівських променів, але серед них існувало занадто багато відхилень, щоб з’ясувати реальну яскравість будь-якого квазара.
Розуміння фізики акреційних дисків (блакитно-білі) квазарів і рентгенівських корон (показані жовтим) може допомогти астрономам використовувати квазари в якості стандартних свічок. Фото з сайту http://chandra.harvard.edu.
Рісаліті й Луссо зрозуміли, що залежність між випромінюванням рентгенівських променів і видимим світлом, спричинена природою акреційних дисків квазарів. Диск випромінює видиме світло, а гаряча газоподібна корона випускає рентгенівські промені. Вони пов’язані простою фізикою — залежність між цими випромінюваннями визначають речовнини, що «забрудннюють» довкілля квазара. Отже, в своєму дослідженні Рісаліті й Луссо видалили усі джерела, де випромінювання дисків затьмарюється (пилом чи газом) або забруднюється (швидким струменем — викидом речовини від чорної діри). Ретельний добір джерел дав змогу виявити набагато тісніші й більш корисні для науки взаємозв’язки. Використовуючи дані з Слоанівського цифрового огляду неба (Sloan Digital Sky Survey) і спостережні дані від космічних телескопів XMM-Newton, «Чандра» (Chandra) та «Свіфт» (Swift), науковці встановили ці відношення для 1600 квазарів, що уможливлює використання їх в якості стандартних свічок.
Квазари допомагають Різаліті й Луссо заповнити проміжок у космічній часовій шкалі й подивитися на ранній Всесвіт до його віку лише в мільярд років. Зважаючи на ці результати, науковці вважають, що темна енергія насправді збільшується протягом часу еволюції Всесвіту.
Отримані результати «не знаходять місця» для космологічної сталої, яка передбачає постійну щільність енергії. Це трохи допомагає з огляду на те, що значення енергії вакууму (космологічна стала) таке мале, як порівняти зі спостережними даними. (Згадана вище розбіжність величиною в 120 порядків) Еволюція темної енергії може також допомогти вирішити постійну проблему, пов’язану з тим, що різні методи визначення швидкості розширення Всесвіту дають відмінні її значення.
Проте з філософського погляду результати ці тривожні: якщо щільність темної енергії дійсно зростає з плином часу, то й сила відштовхування, яку вона спричиняє, має зростати. Це означає, що наш всесвіт загине через Великий Розрив (Big Rip).
Історія розвитку Всесвіту вказує на вирішальний час, коли розширення змінилося з уповільненого на прискорене. Але майбутнє все ще невизначене — воно залежить від поведінки темної енергії. Якщо темна енергія зростає, все закінчиться розривом; якщо вона піде на спад, космос може закінчитися великим хрустом (big crunch). Фото з сайту www.skyandtelescope.com.
Але, мабуть, про це ще занадто рано говорити. Філ Гопкінс (Phil Hopkins) з Каліфорнійського технологічного інституту, який не брав участь у дослідженні, закликає до обережності при тлумаченні його результатів. Співвідношення, яке Луссо й Різаліті використовують для перетворення квазарів на стандартні свічки, може змінюватися з часом, роблячи ці квазари не такими стандартними. Наприклад: квазари можуть уповільнювати поглинання газу якщо злиття об’єктів стає не таким частим явищем, а це може змінити співвідношення між випромінюванням рентгенівських променів і видимого світла. «Залежність треба лише трохи змінити, щоб пояснити ці спостереження», — додав він.
Водночас, Гопкінс погоджується з тим, що результати цікаві й варто отримати ще більші та кращі вибірки. Автори також відзначають, що невдовзі буде виконано інші дослідження, в яких вивчатимуть ранній Всесвіт. Планку для спростування стандартної космологічної моделі нині піднято високо, але тільки час і додаткові дослідження покажуть, чи це той метод, який дасть змогу це зробити.
За інф. з сайту www.skyandtelescope.com підготував Іван Крячко
