Dodano: 25 styczeń 2019r.

Kwazary wykorzystane do wyliczenia tempa rozszerzania się Wszechświata

Pytanie o to, jak szybko rozszerza się Wszechświat zastanawia astronomów od niemal wieku. Przez te wszystkie lata pojawiły się różne teorie na ten temat. Wydaje się, że do rozwiązania tej zagadki przybliżyli się uczeni z Kalifornii dzięki zastosowaniu zupełnie nowego sposobu pomiarów.

 

Szybkości ekspansji Wszechświata jest przedmiotem gorącej debaty w środowisku naukowym. Cały spór odnosi się do stałej Hubble’a – liczby, która wiąże odległość z przesunięciem ku czerwieni galaktyk, czyli ich prędkość ucieczki. To wartość, o jaką światło zostało rozciągnięte podczas podróży na Ziemię poprzez rozszerzający się Wszechświat.

Bez dokładnej znajomości stałej Hubble'a astronomowie nie potrafią dokładnie określić rozmiarów odległych galaktyk, wieku Wszechświata ani historii ekspansji kosmosu. Ale dzięki pionierskiemu sposobowi mierzenia szybkości ekspansji kosmosu, zespół kierowany przez astronomów z University of California - Los Angeles (UCLA) zrobił krok w kierunku zakończenia tej debaty. Naukowcy skorzystali przy tym z pomocy kwazara SDSS J1206 + 4332.

Badania zostały opublikowane na łamach „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society”.

 

Dotychczasowe szacunki dla stałej Hubble'a mieszczą się w zakresie od 67 do 73 kilometrów na sekundę na megaparsek, co oznacza, że ​​dwa punkty w kosmosie oddalone o 1 megaparsek (3,26 miliona lat świetlnych) oddalają się od siebie z prędkością od 67 do 73 kilometrów na sekundę. 

Większość metod uzyskiwania stałej Hubble'a ma dwa składniki: odległość do źródła światła i przesunięcie ku czerwieni źródła światła. Szukając źródła światła, z którego w swoich obliczeniach nie korzystali jeszcze inni badacze, kierujący badaniami Simon Birrer i jego współpracownicy zwrócili się w stronę kwazarów, fontann promieniowania, które zasilają gigantyczne czarne dziury. Dla swoich badań naukowcy wybrali jeden określony podzbiór kwazarów - tych, których światło zostało zakrzywione przez grawitację galaktyk znajdujących się między kwazarami a Ziemią. To daje astronomom możliwość obserwowania dwóch obrazów tego samego kwazara.

Światło z tych dwóch obrazów dotarło na Ziemię różnymi drogami. Kiedy jasność kwazara ulega fluktuacjom, dwa obrazy migają jeden po drugim, nie w tym samym czasie. Opóźnienie w czasie pomiędzy tymi dwoma migoczącymi obrazami, wraz z informacją o polu grawitacyjnym galaktyki znajdującej się między nami a kwazarem, może być użyta do prześledzenia drogi światła i ustalenia odległości od Ziemi do kwazara oraz tej galaktyki. Znając przesunięcia ku czerwieni kwazara i galaktyki naukowcy mogli oszacować, jak szybko Wszechświat się rozszerza.

Badacze z UCLA już wcześniej stosowali tę technikę do badania nie dwóch obrazów tego samego kwazara, a czterech - cztery obrazy kwazara pojawiają się wokół galaktyki na pierwszym planie. Jednak takie obrazy to rzadkość. Znacznie bardziej powszechne są kwazary o podwójnym obrazie. Można je zaobserwować około pięć razy częściej.

Aby zademonstrować tę technikę naukowcy zbadali podwójnie obrazowany kwazar znany jako SDSS J1206 + 4332. Dane do badań pobrali z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, Obserwatorium Gemini i W.M. Kecka oraz sieci COSMOGRAIL (Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses), której celem jest ustalenie stałej Hubble'a.

Naukowcy codziennie od kilku lat robili zdjęcia kwazara, aby dokładnie zmierzyć opóźnienie czasowe między obrazami. Następnie, aby uzyskać najlepszą możliwą do oszacowania stałą Hubble'a, połączyli te dane z danymi zebranymi w projekcie H0liCOW o trzech poczwórnie zobrazowanych kwazarach.

- Piękno tego pomiaru polega na tym, że jest wysoce komplementarny i niezależny od innych - powiedział Tommaso Treu, profesor fizyki i astronomii na UCLA i współautor publikacji.

Na podstawie swoich badań naukowcy określili szacunkową wartość stałej Hubble'a wynoszącą około 72,5 kilometrów na sekundę na megaparsek, co jest zgodne z tym, co inni naukowcy ustalili w badaniach wykorzystujących jako kluczowy pomiar odległości od supernowych - eksplodujących gwiazd w odległych galaktykach. Jednak oba szacunki są o około 8 procent wyższe niż te opierające się na słabym blasku zwanym mikrofalowym promieniowaniem tła, które to jest reliktem z 380 000 lat po Wielkim Wybuchu, kiedy światło po raz pierwszy przemieszczało się swobodnie w przestrzeni.

- Jeśli istnieje realna różnica między tymi wartościami, oznacza to, że Wszechświat jest trochę bardziej skomplikowany - powiedział Treu. Z drugiej strony, jak dodał, może się zdarzyć, że jeden pomiar - lub wszystkie trzy - są błędne.

Naukowcy szukają teraz nowych kwazarów, aby poprawić precyzję ich pomiaru stałej Hubble'a. Treu przyznał, że jedną z najważniejszych lekcji płynących z nowych badań jest to, że podwójnie obrazowane kwazary dają naukowcom wiele bardziej użytecznych źródeł światła do obliczeń stałej Hubble'a. Na razie jednak zespół kierowany przez naukowców z UCLA koncentruje swoje badania na czterdziestu czterokrotnie obrazowanych kwazarach, ze względu na ich potencjał dostarczania jeszcze bardziej przydatnych informacji niż te, które można uzyskać z podwójnie obrazowanych kwazarów.

 

Źródło: University of California - Los Angeles, fot. NASA Hubble Space Telescope/ Tommaso Treu/ UCLA/ Birrer et al.