Наблюдения далёких квазаров могут перевернуть представления о тёмной энергии

Астрономы определили характер расширения ранней Вселенной с помощью квазаров.

Иллюстрация ESA, NASA, Hubble.

Наблюдения при помощи космических рентгеновских телескопов поставили перед учёными новую космологическую загадку.

Иллюстрация ESA-C. Carreau.

Наблюдения далёких квазаров позволили установить, какие свойства имела тёмная энергия в первые миллиарды лет существования Вселенной. Оказалось, что её плотность возрастала со временем. Это не вписывается в стандартные теории, зато может стать ключом к загадке, давно мучающей космологов.

Исследование описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy Гвидо Ризалити (Guido Risaliti) из Университета Флоренции и Элизабетой Луссо (Elisabeta Lusso) из Даремского университета.

Большинство космологов считает, что около 75% энергии во Вселенной приходится на таинственную тёмную энергию, которая заставляет пространство расширяться с ускорением.

Откуда такая уверенность? Дело в том, что ускоренное расширение Вселенной доказано многочисленными и разнообразными наблюдениями. О нём единогласно свидетельствует изучение сверхновых типа Ia, реликтового излучения, крупномасштабной структуры Вселенной, гравитационных линз, угловых размеров квазаров и радиогалактик и так далее. При желании каждому из этих результатов можно подобрать другую интерпретацию, но при этом ситуация станет гораздо более запутанной: мы получим множество неизвестных сущностей вместо одной.

Однако подавляющее большинство этих тестов касаются расширения Вселенной в последние 8–9 миллиардов лет её истории (насчитывающей, напомним, около 13,7 миллиарда лет). Исключением являются эффекты, связанные с реликтовым излучением, появившемся уже через 380 тысяч лет после Большого взрыва. Между этими двумя точками зияет пропасть в несколько миллиардов лет существования ранней Вселенной. Как вела себя тёмная энергия в эту эпоху, мы не знаем.

Исследование Ризалити и Луссо частично заполняет этот пробел. Они используют наблюдения самых мощных постоянных "светильников" во Вселенной – квазаров. Излучение самых древних объектов, попавших в поле зрения авторов, было испущено 12 миллиардов лет назад.

Поясним суть использованного метода. Существует хорошо известное соотношение между светимостью квазара в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне. В предыдущих работах Ризалити и Луссо показали, что благодаря ему можно определить дистанцию до квазара. А эта "мерная линейка" расстояний позволяет выяснить, как расширяется Вселенная.

"Использование квазаров в качестве стандартных свечей имеет большой потенциал, поскольку мы можем наблюдать их на гораздо большем расстоянии от нас, чем сверхновые типа Ia, и поэтому использовать их для исследования гораздо более ранних эпох в истории космоса", – объясняет Луссо.

Поясним, что стандартной свечой астрономы называют объект с заранее известной светимостью, благодаря которой можно вычислить расстояние до него.

Наблюдения при помощи космических рентгеновских телескопов поставили перед учёными новую космологическую загадку.
Наблюдения при помощи космических рентгеновских телескопов поставили перед учёными новую космологическую загадку.
Иллюстрация ESA-C. Carreau.

Авторы последней работы использовали более семи тысяч квазаров. Данные об их рентгеновском излучении исследователи взяли из архивов телескопа XMM-Newton, а об ультрафиолетовом – из обзора SDSS. Кроме того, специально для этой работы в 2017 году на телескопе XMM-Newton были проведены наблюдения ряда очень далёких квазаров.

Учёные не ограничились этим и дополнили данные наблюдениями ещё более отдалённых объектов обсерваторией Chandra и нескольких относительно близких телескопом Swift.

"Такая большая выборка позволила нам изучить связь между рентгеновским и ультрафиолетовым излучением квазаров в мельчайших деталях, что значительно улучшило нашу методику оценки расстояния до них", – рассказывает Ризалити.

В итоге авторы отобрали 1600 квазаров, оценка дистанции до которых была наиболее надёжной. По ним астрономы и рассчитали характер расширения Вселенной и, следовательно, параметры тёмной энергии, придающей этому процессу ускорение.

Выборка охватывала как относительно небольшие расстояния, для которых есть оценки свойств тёмной энергии другими способами, так и космические дали, где метод исследователей оказался единственной ниточкой.

В первом случае новая методика показала те же результаты, что и другие оценки. Это говорит о том, что разработанный авторами подход достаточно надёжен.

Однако в областях самой ранней Вселенной начались сюрпризы. Расширение пространства выглядело так, как будто плотность тёмной энергии возрастала со временем. В более поздние эпохи не наблюдается ничего подобного, и современные теории не позволяют объяснить такой эффект. Если эти результаты подтвердятся, космологам придётся пересмотреть свои взгляды на тёмную энергию.

Зато новые данные о такой эволюции тёмной энергии могут стать ключом к другой загадке. "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о противоречии между двумя значениями постоянной Хаббла, ключевого параметра, описывающего историю Вселенной. Изучение реликтового излучения приводит к одной цифре, а наблюдение стандартных свечей – к другой, и никто не знает, почему. Однако, если на заре времён плотность тёмной энергии действительно возрастала, можно объяснить этот эффект.

"Эта модель довольно интересна, потому что она позволяет решить две головоломки одновременно. Но окончательный вердикт ещё не объявлен, и нам придётся рассмотреть ещё много моделей, прежде чем мы сможем решить эту космическую головоломку", – заключает Ризалити.

К слову, ранее "Вести.Наука" рассказывали о теориях, позволяющих объединить тёмную энергию с тёмной материей, а также объяснить ускоренное расширение Вселенной и вовсе без неё.