Quand l’univers a-t-il commencé ? Quand et comment se sont formées les premières étoiles et galaxies ? Quel est le sort de l'univers ?
Le modèle cosmologique standard, également connu sous le nom de modèle LCDM, peut répondre à la plupart de ces questions. Cela peut également expliquer les propriétés de la structure spatiale à grande échelle de l’univers, à la fois dans sa forme actuelle et dans le passé, lorsque les premières structures commençaient tout juste à émerger. De plus, grâce à l'énergie noire, elle peut répondre à l'expansion accélérée de l'univers.
Malgré de nombreux succès, au cours de la dernière décennie, les mesures de supernovae de type Ia à proximité et l'analyse des données de fond cosmique-micro-ondes lointaines ont fourni des valeurs incohérentes pour certains paramètres cosmologiques.
En particulier, il existe une différence significative dans la valeur mesurée du taux d'expansion actuel, également connue sous le nom de constante de Hubble, entre la valeur déterminée à partir des mesures lointaines du fond cosmique micro-onde et certaines valeurs déterminées à partir des observations de supernova de type Ia à proximité. P>
Pour déterminer si cette différence est due à des problèmes systématiques avec l'un ou les deux ensembles de données ou s'il s'agit d'un problème avec le modèle LCDM, d'autres sondes cosmologiques sont recherchées.
Mes collègues et moi considérions les quasars comme des sondes alternatives. Ce sont des noyaux actifs situés au centre des galaxies qui hébergent des trous noirs supermassifs qui accumulent de la matière et émettent abondamment de l'énergie. Ils peuvent être détectés depuis l’univers local jusqu’à l’époque lointaine où les premières galaxies venaient tout juste de se former. Par conséquent, ils relient partiellement les mesures locales des supernovae de type Ia avec les observations lointaines du fond cosmique des micro-ondes.
Les quasars peuvent-ils aider à résoudre les tensions cosmologiques actuelles ?
Il peut sembler étrange que les noyaux actifs galactiques (AGN), qui sont des objets plutôt complexes contenant des trous noirs supermassifs, dont les masses s'étendent sur cinq ordres de grandeur (un facteur de 100 000) et accumulent de la matière dans une large gamme de taux, puissent être standardisés de manière standardisée. manière analogue aux étoiles pulsées des Céphéides ou aux étoiles explosives (supernovae de type Ia).
Au cours des trois dernières décennies, alors que des données multi-longueurs d'onde de meilleure qualité et plus nombreuses étaient accumulées, les mesures AGN se sont avérées obéir à deux corrélations importantes, qui impliquent toutes deux un rayonnement électromagnétique ionisant provenant du flux d'accrétion interne autour du trou noir central dans le partie ultraviolette du spectre électromagnétique.
L'une d'elles est basée sur la corrélation entre les luminosités UV et X (relation UV/X). Dans la plupart des AGN, les luminosités des rayonnements émis dans les parties ultraviolette et X du spectre électromagnétique obéissent à une relation non linéaire. Sur cette base, la distance de luminosité du quasar peut être déterminée, et pour un redshift donné, le diagramme de Hubble de l'AGN peut être confronté à différents modèles cosmologiques.
La seconde est basée sur la découverte que la luminosité du rayonnement UV ionisant émis près du trou noir central est corrélée au rayon de la région la plus éloignée où les nuages se déplaçant rapidement gravitent autour du trou noir central. Le mouvement de ces nuages se révèle à travers leur émission caractéristique sous forme de raies d'émission très larges dont le flux est variable.
A partir de la mesure du délai entre le rayonnement UV variable et l'émission à large raie, il est possible de déduire la luminosité absolue. À partir du flux mesuré, nous pouvons déterminer la distance de luminosité et ensuite tester également des modèles cosmologiques.
La question reste de savoir s’il est possible de trouver un échantillon d’AGN pour lequel les deux relations peuvent être étudiées. Cela permettrait de vérifier la cohérence des distances de luminosité déterminées et des modèles cosmologiques (à travers leurs valeurs de paramètres cosmologiques déterminées).
Avec mon collègue Narayan Khadka de l'Université Stony Brook (anciennement à l'Université d'État du Kansas), nous avons identifié 58 AGN de ce type et avons constaté que les deux relations (UV/rayons X et rayon-luminosité) conduisaient à des distances de luminosité assez différentes pour chacune des sources. . Cela ne devrait pas se produire à moins que l’un ou les deux ensembles de données (UV/rayons X et rayon-luminosité) ne tiennent pas correctement compte de certains effets. Notre étude a été publiée dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .
De plus, les paramètres cosmologiques obtenus à partir de ces deux relations étaient assez différents, la relation UV/rayons X préférant une teneur en matière plus importante pour l'univers actuel par rapport à ce que favorisait la relation rayon-luminosité. De plus, les valeurs des paramètres cosmologiques déterminées à partir des mesures de la relation UV/rayons X diffèrent considérablement des valeurs déterminées à l'aide de sondes cosmologiques standard. Cela nous a laissé le casse-tête d'essayer de découvrir la cause de l'écart.
En comparant les différences des deux distances de luminosité pour chacune des 58 sources, il nous est apparu que la distance de luminosité déterminée à partir de la relation UV/rayons X est systématiquement plus grande que la distance de luminosité déduite de la relation rayon-luminosité. Avec Bozena Czerny (Centre de physique théorique PAS), j'ai réalisé qu'un tel effet pouvait être provoqué par la poussière qui absorbe et diffuse les UV ainsi que les photons de rayons X le long de la ligne de mire de l'AGN jusqu'à nous.
Bien que les 58 quasars observés soient situés dans des régions du ciel éloignées des nuages de poussière de la Voie lactée (voir figure du haut), ils sont hébergés dans des galaxies qui contiennent de nombreux nuages de poussière à travers lesquels les photons émis doivent voyager pour atteindre nos télescopes.
Dans notre récente étude, publiée dans The Astrophysical Journal , nous avons montré explicitement que l'extinction des photons émis due à la poussière contribue toujours à une différence non nulle entre les deux distances de luminosité déduites des corrélations AGN, étant soit positive, soit négative, selon que les photons X ou UV sont plus affectés. . Puisque les pics de distribution sont positifs pour tous les modèles cosmologiques, l'extinction de l'émission de rayons X de l'AGN semble être plus significative pour la plupart des quasars que l'extinction de la lumière UV.
La poussière dans les galaxies hôtes AGN entrave principalement l'applicabilité de la relation UV/rayons X en cosmologie, tandis que la relation rayon-luminosité semble toujours viable pour transformer les quasars en bougies standards. Bien que les contraintes cosmologiques de la relation rayon-luminosité soient encore faibles en raison d'une taille d'échantillon limitée, la relation offre un côté positif à l'utilisation des quasars comme sondes cosmologiques, en particulier à l'ère des études approfondies du ciel.
Cette histoire fait partie de Science X Dialog, où les chercheurs peuvent rapporter les résultats de leurs articles de recherche publiés. Visitez cette page pour plus d'informations sur ScienceX Dialog et comment participer.
Plus d'informations : Narayan Khadka et al., Les distances de luminosité dans la relation Quasar UV/rayons X sont plus courtes que les distances de luminosité dans la relation rayon-luminosité mesurées par réverbération, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society (2023). DOI : 10.1093/mnras/stad1040
Michal Zajaček et al, Effet de l'extinction sur les distances de luminosité des quasars déterminés à partir de mesures de flux UV et X, The Astrophysical Journal (2024). DOI :10.3847/1538-4357/ad11dc
Informations sur le journal : Journal d'astrophysique , Avis mensuels de la Royal Astronomical Society
Le Dr Michal Zajaček est chercheur au Département de physique théorique et d'astrophysique de l'Université Masaryk de Brno, en République tchèque. Il a soutenu sa thèse de doctorat en 2017 à l'Université de Cologne/Institut Max Planck de radioastronomie, en Allemagne, sur le centre galactique, en particulier concernant la dynamique stellaire, la formation des étoiles et la nature des objets en excès dans l'infrarouge. De 2017 à 2019, il a été chercheur postdoctoral au MPIfR de Bonn, travaillant sur la précession des jets dans les blazars, et de 2019 à 2021, il a été professeur adjoint au Centre de physique théorique de l'Académie polonaise des sciences à Varsovie, où il a étudié. la région large des quasars à redshift intermédiaire et leur application en cosmologie.
