Quando è iniziato l'universo? Quando e come si sono formate le prime stelle e galassie? Qual è il destino dell'universo?
Il modello cosmologico standard, noto anche come modello LCDM, può rispondere alla maggior parte di queste domande. Può anche spiegare le proprietà della struttura spaziale su larga scala dell’universo, sia nella sua forma attuale che nel passato, quando le prime strutture stavano appena emergendo. Inoltre, attraverso l'energia oscura, può far fronte all'espansione accelerata dell'universo.
Nonostante molti successi, negli ultimi dieci anni, le misurazioni delle supernovae di tipo Ia nelle vicinanze e l'analisi dei dati di fondo delle microonde cosmiche distanti hanno fornito valori incoerenti per alcuni parametri cosmologici.
In particolare, c'è una differenza significativa nel valore misurato del tasso di espansione attuale, noto anche come costante di Hubble, tra il valore determinato dalle misurazioni distanti del fondo delle microonde cosmiche e alcuni valori determinati dalle osservazioni di supernova di tipo Ia nelle vicinanze.
Per determinare se questa differenza è dovuta a problemi sistematici con uno o entrambi i set di dati o se si tratta di un problema con il modello LCDM, si cercano sonde cosmologiche alternative.
I miei colleghi ed io consideravamo i quasar come sonde alternative. Si tratta di nuclei attivi al centro delle galassie che ospitano buchi neri supermassicci che accumulano materia ed emettono abbondantemente energia. Possono essere rilevati dall'universo locale fino all'epoca lontana in cui si stavano appena formando le prime galassie. Pertanto, collegano parzialmente le misurazioni locali delle supernove di tipo Ia con le osservazioni distanti del fondo cosmico a microonde.
I quasar possono aiutare a risolvere le attuali tensioni cosmologiche?
Può sembrare strano che i nuclei galattici attivi (AGN), che sono oggetti piuttosto complicati contenenti buchi neri supermassicci, le cui masse si estendono su cinque ordini di grandezza (un fattore di 100.000) e accumulano materia a una vasta gamma di velocità, potrebbero essere standardizzati in un modo analogo alle stelle Cefeidi pulsanti o alle stelle esplosive (supernovae di tipo Ia).
Nel corso degli ultimi tre decenni, man mano che si accumulavano dati multi-lunghezza d'onda sempre più numerosi e di migliore qualità, si è scoperto che le misurazioni degli AGN obbediscono a due importanti correlazioni, entrambe le quali coinvolgono la radiazione elettromagnetica ionizzante proveniente dal flusso di accrescimento interno attorno al buco nero centrale nel pianeta. parte ultravioletta dello spettro elettromagnetico.
Uno di questi si basa sulla correlazione tra la luminosità dei raggi UV e quella dei raggi X (relazione UV/raggi X). Nella maggior parte degli AGN, le luminosità della radiazione emessa nelle parti ultraviolette e X dello spettro elettromagnetico obbediscono a una relazione non lineare. Sulla base di ciò, è possibile determinare la distanza di luminosità del quasar e, per un dato spostamento verso il rosso, il diagramma di Hubble dell'AGN può essere confrontato con diversi modelli cosmologici.
La seconda si basa sulla scoperta che la luminosità della radiazione UV ionizzante emessa vicino al buco nero centrale è correlata con il raggio della regione più distante dove le nubi in rapido movimento orbitano attorno al buco nero centrale. Il movimento di queste nubi si rivela attraverso la loro caratteristica emissione sotto forma di righe di emissione molto larghe il cui flusso è variabile.
Dalla misura del ritardo temporale tra la radiazione UV variabile e l'emissione a banda larga è possibile dedurre la luminosità assoluta. Dal flusso misurato possiamo determinare la distanza di luminosità e successivamente testare anche modelli cosmologici.
Resta la questione se sia possibile trovare un campione di AGN per il quale entrambe le relazioni possano essere studiate. Ciò consentirebbe un controllo di coerenza delle distanze di luminosità determinate e dei modelli cosmologici (attraverso i valori dei parametri cosmologici determinati).
Con il mio collega Narayan Khadka della Stony Brook University (ex Kansas State University), abbiamo identificato 58 AGN di questo tipo e scoperto che le due relazioni (raggi UV/X e raggio-luminosità) portano a distanze di luminosità abbastanza diverse da ciascuna delle sorgenti. . Ciò non dovrebbe accadere a meno che uno o entrambi i set di dati (raggi UV/X e raggio-luminosità) non tengano adeguatamente conto di alcuni effetti. Il nostro studio è stato pubblicato su Monthly Notice of the Royal Astronomical Society .
Inoltre, i parametri cosmologici ottenuti da queste due relazioni erano piuttosto diversi, con la relazione raggi UV/X che preferiva un contenuto di materia maggiore per l’universo attuale rispetto a quello favorito dalla relazione raggio-luminosità. Inoltre, i valori dei parametri cosmologici determinati dalle misurazioni della relazione raggi UV/X differiscono significativamente dai valori determinati utilizzando sonde cosmologiche standard. Questo ci ha lasciato il problema di cercare di scoprire la causa della discrepanza.
Confrontando le differenze delle due distanze di luminosità con ciascuna delle 58 sorgenti, ci è apparso evidente che la distanza di luminosità determinata dalla relazione UV/raggi X è sistematicamente maggiore della distanza di luminosità dedotta dalla relazione raggio-luminosità. Con Bozena Czerny (Centro di Fisica Teorica PAS), mi sono reso conto che un tale effetto può essere causato dalla polvere che assorbe e disperde i fotoni dei raggi UV e X lungo la linea di vista dall'AGN a noi.
Sebbene i 58 quasar osservati si trovino in regioni del cielo lontane dalle nubi di polvere della Via Lattea (vedi figura in alto), sono ospitati in galassie che contengono numerose nubi di polvere attraverso le quali i fotoni emessi devono viaggiare nel loro percorso verso i nostri telescopi. /P>
Nel nostro recente studio, pubblicato su The Astrophysical Journal , abbiamo dimostrato esplicitamente che l'estinzione dei fotoni emessi a causa della polvere contribuisce sempre a una differenza diversa da zero tra le due distanze di luminosità dedotte dalle correlazioni AGN, essendo positiva o negativa, a seconda che i fotoni X o UV siano più colpiti . Poiché i picchi di distribuzione sono positivi per tutti i modelli cosmologici, l'estinzione dell'emissione di raggi X da parte degli AGN sembra essere più significativa per la maggior parte dei quasar rispetto all'estinzione della luce UV.
La polvere nelle galassie ospiti AGN ostacola principalmente l’applicabilità della relazione raggi UV/X in cosmologia, mentre la relazione raggio-luminosità sembra ancora praticabile per trasformare i quasar in candele standard. Sebbene i vincoli cosmologici derivanti dalla relazione raggio-luminosità siano ancora deboli a causa della dimensione limitata del campione, la relazione fornisce un lato positivo per l'utilizzo dei quasar come sonde cosmologiche, specialmente nell'era delle estese indagini del cielo.
Questa storia fa parte di Science X Dialog, dove i ricercatori possono riportare i risultati dei loro articoli di ricerca pubblicati. Visita questa pagina per informazioni su ScienceX Dialog e su come partecipare.
Ulteriori informazioni: Narayan Khadka et al, Le distanze di luminosità della relazione raggi UV/X di Quasar sono più brevi delle distanze di luminosità della relazione raggio-luminosità misurate dal riverbero, Avvisi mensili della Royal Astronomical Society (2023). DOI:10.1093/mnras/stad1040
Michal Zajaček et al, Effetto dell'estinzione sulle distanze di luminosità dei quasar determinate dalle misurazioni del flusso di raggi UV e X, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad11dc
Informazioni sul giornale: Giornale astrofisico , Avvisi mensili della Royal Astronomical Society
Il Dr. Michal Zajaček è ricercatore presso il Dipartimento di Fisica Teorica e Astrofisica, Università Masaryk di Brno, Repubblica Ceca. Ha difeso la sua tesi di dottorato nel 2017 presso l'Università di Colonia/Istituto Max Planck di radioastronomia, Germania, sul centro galattico, riguardante in particolare la dinamica stellare, la formazione stellare e la natura degli oggetti in eccesso nell'infrarosso. Nel 2017-2019 è stato ricercatore post-dottorato presso il MPIfR di Bonn, lavorando sulla precessione dei getti nei blazar, e nel 2019-2021 è stato professore assistente presso il Centro di fisica teorica, Accademia polacca delle scienze di Varsavia, dove ha studiato la regione a linea larga dei quasar con spostamento verso il rosso intermedio e la loro applicazione in cosmologia.
