Quando o universo começou? Quando e como se formaram as primeiras estrelas e galáxias? Qual é o destino do universo?



O modelo cosmológico padrão, também conhecido como modelo LCDM, pode responder à maioria destas questões. Também pode explicar propriedades da estrutura espacial em grande escala do universo – tanto na sua forma actual como no passado, quando as primeiras estruturas estavam apenas a emergir. Além disso, através da energia escura, pode abordar a expansão acelerada do universo.

Apesar de muitos sucessos, ao longo da última década, medições de supernovas próximas do tipo Ia e a análise de dados distantes de fundo de microondas cósmicas forneceram valores inconsistentes para alguns parâmetros cosmológicos.

Em particular, existe uma diferença significativa no valor medido da taxa de expansão atual, também conhecida como constante de Hubble, entre o valor determinado a partir das medições distantes de fundo de microondas cósmicas e alguns valores determinados a partir de observações próximas de supernovas do tipo Ia.

Para determinar se esta diferença se deve a problemas sistemáticos com um ou ambos os conjuntos de dados ou se é um problema com o modelo LCDM, procuram-se sondas cosmológicas alternativas.

Meus colegas e eu consideramos os quasares como sondas alternativas. Estes são núcleos ativos no centro das galáxias que hospedam buracos negros supermassivos que acumulam matéria e emitem energia profusamente. Elas podem ser detectadas desde o universo local até a época distante, quando as primeiras galáxias estavam apenas se formando. Portanto, eles conectam parcialmente medições locais de supernovas do tipo Ia com observações cósmicas distantes de fundo em micro-ondas.

Os quasares podem ajudar a resolver as atuais tensões cosmológicas?

Dois métodos

Pode parecer estranho que núcleos galácticos ativos (AGN), que são objetos bastante complicados contendo buracos negros supermassivos, cujas massas abrangem cinco ordens de magnitude (um fator de 100.000) e acumulam matéria em uma ampla faixa de taxas, possam ser padronizados em um maneira análoga às estrelas Cefeidas pulsantes ou estrelas em explosão (supernovas do tipo Ia).

Nas últimas três décadas, à medida que mais e de melhor qualidade, dados de múltiplos comprimentos de onda foram acumulados, descobriu-se que as medições de AGN obedecem a duas correlações importantes, ambas envolvendo radiação eletromagnética ionizante proveniente do fluxo de acreção interno em torno do buraco negro central no parte ultravioleta do espectro eletromagnético.

Uma delas é baseada na correlação entre as luminosidades UV e de raios X (relação UV/raios X). Na maioria dos AGN, as luminosidades da radiação emitida nas partes ultravioleta e de raios X do espectro eletromagnético obedecem a uma relação não linear. Com base nisso, a distância à luminosidade do quasar pode ser determinada e, para um determinado desvio para o vermelho, o diagrama de Hubble do AGN pode ser confrontado com diferentes modelos cosmológicos.

A segunda baseia-se na descoberta de que a luminosidade da radiação UV ionizante emitida perto do buraco negro central está correlacionada com o raio da região mais distante onde nuvens que se movem rapidamente orbitam em torno do buraco negro central. O movimento destas nuvens é revelado através da sua emissão característica na forma de linhas de emissão muito largas cujo fluxo é variável.

A partir da medição do intervalo de tempo entre a radiação UV variável e a emissão em linha larga, é possível inferir a luminosidade absoluta. A partir do fluxo medido, podemos determinar a distância da luminosidade e posteriormente testar também modelos cosmológicos.

A questão permanece se é possível encontrar uma amostra de AGN para a qual ambas as relações possam ser estudadas. Isto permitiria uma verificação de consistência das distâncias de luminosidade determinadas e dos modelos cosmológicos (através dos seus valores de parâmetros cosmológicos determinados).

Discrepância nas distâncias de luminosidade

Com meu colega Narayan Khadka da Stony Brook University (anteriormente na Kansas State University), identificamos 58 desses AGN e descobrimos que as duas relações (UV/raios X e raio-luminosidade) levaram a distâncias de luminosidade bastante diferentes para cada uma das fontes. . Isso não deveria acontecer a menos que um ou ambos os conjuntos de dados (UV/raios X e raio-luminosidade) não considerassem adequadamente alguns efeitos. Nosso estudo foi publicado em Avisos Mensais da Royal Astronomical Society .

Além disso, os parâmetros cosmológicos obtidos a partir destas duas relações foram bastante diferentes, com a relação UV/raios X preferindo um maior conteúdo de matéria para o universo atual em comparação com o que favorecia a relação raio-luminosidade. Além disso, os valores dos parâmetros cosmológicos determinados a partir das medições da relação UV/raios X diferem significativamente dos valores determinados utilizando sondas cosmológicas padrão. Isso nos deixou com o enigma de tentar descobrir a causa da discrepância.

Papel da poeira nas galáxias

Ao comparar as diferenças das duas distâncias de luminosidade para cada uma das 58 fontes, tornou-se evidente para nós que a distância de luminosidade determinada a partir da relação UV/raios X é sistematicamente maior do que a distância de luminosidade inferida a partir da relação raio-luminosidade. Com Bozena Czerny (Centro de Física Teórica PAS), percebi que tal efeito pode ser causado por poeira que absorve e espalha UV, bem como fótons de raios X ao longo da linha de visão do AGN até nós.

Embora os 58 quasares observados estejam localizados em regiões do céu afastadas das nuvens de poeira da Via Láctea (ver figura superior), estão alojados em galáxias que contêm numerosas nuvens de poeira através das quais os fotões emitidos devem viajar no seu caminho até aos nossos telescópios.

Em nosso estudo recente, publicado no The Astrophysical Journal , mostramos explicitamente que a extinção dos fótons emitidos devido à poeira sempre contribui para uma diferença diferente de zero entre as duas distâncias de luminosidade inferidas das correlações AGN, sendo positiva ou negativa, dependendo se os fótons de raios X ou UV são mais afetados. . Uma vez que os picos de distribuição são positivos para todos os modelos cosmológicos, a extinção da emissão de raios X do AGN parece ser mais significativa para a maioria dos quasares do que a extinção da luz UV.

Conclusão

A poeira nas galáxias hospedeiras de AGN dificulta principalmente a aplicabilidade da relação UV/raios X na cosmologia, enquanto a relação raio-luminosidade ainda parece viável para transformar quasares em velas padrão. Embora as restrições cosmológicas da relação raio-luminosidade ainda sejam fracas devido ao tamanho limitado da amostra, a relação fornece uma fresta de esperança para o uso de quasares como sondas cosmológicas, especialmente na era de extensos levantamentos do céu.

Esta história faz parte do Science X Dialog, onde os pesquisadores podem relatar descobertas de seus artigos de pesquisa publicados. Visite esta página para obter informações sobre o ScienceX Dialog e como participar.

Mais informações: Narayan Khadka et al, As distâncias de luminosidade da relação Quasar UV/raios X são mais curtas do que as distâncias de luminosidade da relação raio-luminosidade medidas por reverberação, Avisos mensais da Royal Astronomical Society (2023). DOI:10.1093/mnras/stad1040
Michal Zajaček et al, Effect of Extinction on Quasar Luminosity Distances Determined from UV and X-Ray Flux Measurements, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad11dc

Informações do diário: Jornal Astrofísico , Avisos mensais da Royal Astronomical Society

Dr. Michal Zajaček é pesquisador do Departamento de Física Teórica e Astrofísica da Universidade Masaryk em Brno, República Tcheca. Ele defendeu sua tese de doutorado em 2017 na Universidade de Colônia/Instituto Max Planck de Radioastronomia, Alemanha, sobre o centro galáctico, especificamente sobre dinâmica estelar, formação de estrelas e natureza de objetos com excesso de infravermelho. Durante 2017–2019 foi pesquisador de pós-doutorado no MPIfR em Bonn, trabalhando na precessão de jatos em blazares, e durante 2019–2021, foi professor assistente no Centro de Física Teórica da Academia Polonesa de Ciências em Varsóvia, onde estudou a região de linha larga de quasares com desvio para o vermelho intermediário e sua aplicação em cosmologia.