Линейка для квазара
Как измеряют расстояния в космосе и почему иногда их приходится пересматривать
Группа астрофизиков поставила под сомнение точность определения расстояний до квазаров — ярких активных ядер галактик. Пересмотр методики вычислений расстояний по спектральным линиям позволит лучше разобраться в структуре Вселенной, открыть новые закономерности ее эволюции и, возможно, обнаружить неизвестные еще скопления галактик.
Определение расстояний в космосе — это очень нетривиальная задача. И если расстояния до планет Солнечной системы нам хорошо известны (а расстояние до Луны и вовсе измерено
с точностью до двух сантиметров), то все, что находится дальше Плутона достаточно неопределенно. «Неопределенно» не значит, что астрономы пускают всем пыль в глаза и с потолка берут свои мегапарсеки и световые года. Это значит, что расстояния определяются с точностью до модели, которая используется в каждом конкретном случае.
Например, при измерении расстояния с помощью параллакса модель подразумевает абсолютное точное знание орбиты Земли. Такой метод хорош для объектов, удаленных от нас не больше чем на 300 световых лет. Дистанция до Цефеид, переменных звезд особого типа, известна нам настолько хорошо, насколько мы знаем физические характеристики этих звезд: как период изменения яркости зависит от размеров и массы звезды. Таким методом можно найти расстояние до галактик, отстоящих от нас на 10 миллионов световых лет. При измерении расстояний до более удаленных галактик по так называемым «стандартным свечам», то есть сверхновым определенного типа, мы подразумеваем, что физики точно посчитали энергию, которая выделяется при взрыве. Значит, мы можем, сравнивая видимый нам блеск сверхновой и ее действительную энергию взрыва, определить, как далеко она от нас.
Определение расстояния с помощью параллакса
Познать суть параллакса очень легко: вытяните большой палец руки перед собой и посмотрите на него сначала правым, затем левым глазом. Видите, как сместился палец относительно какого-нибудь более далекого объекта, вроде дверного косяка или машины в окне? Это произошло потому, что ваши глаза отстоят друг от друга на какое-то расстояние. Точно так же и звезда на небе будет "блуждать" отсносительно какого-нибудь удалённого объекта (вроде другой галактики), если посмотреть на нее допустим, 1 июля, а затем 1 января. За полгода Земля пройдёт ровно половину своей орбиты и окажется максимально далеко от места первого наблюдения - параллакс наблюдаемой звезды будет максимальным. Теперь применим простейшую тригонометрию: зная радиус земной орбиты (катет) и угол, на который сдвинулась звезда (прилежащий угол) легко можно найти гипотенузу (то самое расстояние до звезды). Это может сделать и школьник и всё, что для этого нужно - максимально точное измерение смещения звезды.
То же самое происходит и с более далекими объектами, на движение которых уже оказывает влияние расширение Вселенной.
Статья группы ученых под руководством Келли Денней из университета Огайо направлена для публикации в Astrophysical Joural и поднимает важную тему систематических ошибок при определении расстояний до квазаров на больших красных смещениях.
Дело в том, что современные телескопы стали настолько совершенными, что мы можем видеть множество очень далеких (а значит и старых) объектов, однако определение расстояния до них до сих пор вызывает большие сложности. Мы не можем определить их с помощью параллакса — для этого они слишком далеки. И по видимому блеску сверхновых тоже — такие события происходят редко и мы не можем постоянно следить за миллионами известных галактик.
Однако, выход нашелся. И все благодаря эффекту Доплера: чем быстрее объект летит от нас, тем сильнее все его излучение сдвигается в сторону красной части спектра (отсюда и пошел термин «красное смещение»). Измерить смещение всего излучения трудно, да зачастую и не нужно. В этом излучении присутствуют яркие отдельные спектральные линии (как поглощения, так и излучения), по смещению которых относительно лабораторных значений можно определить, с какой скоростью движется объект, а значит, как далеко он от нас. Ведь как доказал еще Эдвин Хаббл, из-за расширения Вселенной чем объект дальше от нас, тем быстрее он удаляется.
Сравнение лабораторного спектра со спектрами звезды и галактик на разном удалении от нас. Сдвиг спектральных линий происходит из-за удаления объектов от нас вследствие расширения Вселенной
JPL / Caltech / Planck
Проект SDSS, один из самых востребованных среди астрофизиков обзоров неба, измерил с 2000 года спектры 370 000 квазаров. Измерил и выложил в открытое пользование обработанную информацию о них, в том числе красное смещение. Профессор Денней утверждает, что часть этих красных смещений определена со значительной погрешностью. Суть метода команды SDSS в том, что определить смещение каждой спектральной линии квазара очень сложно и этот процесс сопряжен с различными ошибками, поэтому из многих спектров было составлено лекало «идеального квазара», с которым сравнивался каждый новый объект. При работе с таким большим количеством информации (370 тысяч квазаров!) такой подход оправдан, да и для целей проекта нестрашна погрешность в несколько тысяч километров в секунду (напомним, что чем дальше от нас объект, тем быстрее он удаляется, а значит скорость в данном контексте пропорциональна расстоянию). Однако, данными обзора SDSS начали пользоваться другие научные группы для своих целей (вроде поиска новых скоплений галактик), где определение точного красного смещения жизненно необходимо.
И тут обнаружилось, что подобные лекала не так уж хороши. Дело в том, что спектральные линии не образуются в одном месте, где-нибудь в центре квазара. Часть из них (вроде линии углерода C IV) действительно идет из самого центра, где фотоны выбрасываются вместе с веществом в ходе аккреции на сверхмассивную черную дыру. И это плохо, потому что движение излучающего вещества по направлению к нам сдвигает спектральную линию в синюю часть спектра, мешая нам определить истинное расстояние до объекта.
Другие линии (вроде линии кальция Ca II, водорода или калия) могут идти из звездного населения галактики и, вроде, прекрасно подходят для измерения расстояний. Однако на больших красных смещениях они уходят в инфракрасную область, где качество наблюдений у телескопов резко падает. Часть линий, такие как линии Лайман-α или магния Mg II, могут стать шире из-за эффекта самопоглощения, а чем линия шире, тем сложнее определить ее сдвиг относительно эталона.
К этому надо добавить, что излучение активного ядра галактики, звезд, сверхновых, газа и всего того, что ведет такую буйную жизнь в галактике, накладывается друг на друга, затмевая, уширяя, заново поглощая различные линии, и это только усложняет жизнь астрофизикам. Поэтому классический подход с лекалами, хоть и был изначально оправдан, уже с 2010 года был заменен «лестничными лекалами», когда для каждого диапазона красных смещений были созданы свои шаблоны. Это позволило чуть улучшить определение расстояний до объектов, но все еще не было идеальным подходом.
В новой работе профессор Денней изучила данные 482 квазаров на больших красных смещениях (z > 1.46), для которых есть надежные спектры двух линий: ионизированного кислорода (обозначается O II) и одной из компонент линии ионизированного гелия (He II). Спектральная линия кислорода λ3727 образуется вдали от «центральной машины» квазара и может служить надежным маркером для определения расстояния. Линия гелия, напротив, очень сильно зависит от свойств конкретного квазара и может сдвигаться в ту или иную сторону в зависимости от массы черной дыры, темпа аккреции на нее вещества, плотности среды и прочих факторов.
Для каждого квазара группа астрофизиков определила три красных смещения: по линии гелия, по контрольной линии кислорода и по стандартным шаблонам, предоставленным командой SDSS. Оказалось, что свойства квазара лишь незначительно меняют значение красного смещения (всего на 350 километров в секунду при измерении He II относительно O II). А вот расхождения с результатами «по шаблону» достигали почти 1100 километров в секунду.
Много это или мало? Современное значение постоянной Хаббла составляет 73 километра в секунду на мегапарсек. Значит, любое тело, которое мы поместим на таком расстоянии от нас, будет удаляться от Земли со скоростью 73 километра в секунду просто из-за расширения Вселенной. С этой точки зрения 1000 километров в час — это большая погрешность. Однако, на таких расстояниях красное смещение и не используют для определения расстояний. Когда же речь заходит о красном смещении, например, z=0.5 (мы видим Вселенную, какой она была 4.8 миллиардов лет назад), то галактики там улетают от нас со скоростью 132 000 километров в секунду, что составляет 44 процента от скорость света. И тут подобные поправки вполне будут востребованы астрофизиками.
Пересчитав красные смещения для выборки известных квазаров, Денней смогла более точно установить расстояние до них. Но не только это. Подобные поправки позволили к тому же устранить ряд наблюдательных несоответствий вроде слишком сильного голубого смещения линии углерода C IV. Измерение ширины этой линии, зачастую очень яркой, можно использовать для определения массы черных дыр. Ранее считалось, что голубое смещение этих линий искажает результаты подсчетов. Однако, если определять красное смещение квазаров по новому методу, то углерод С IV ведет себя очень предсказуемо, в соответствии с теорией, выдавая правильные значения масс черных дыр в центре квазаров. Так что одним из результатов этой работы может быть уточнение масс сверхмассивных черных дыр на больших красных смещениях.
Глобальный же вывод группы Денней следующий: старый метод определения красных смещений давал большие смещения для близких объектов и меньшие смещения для далеких, чем должно быть, если опираться на данные надежной линии O II. Использование нового метода позволит астрофизикам лучше определять расстояния до далеких квазаров и с большей уверенностью использовать открытые данные, полученные другими научными группами. А это нужно для более точного «картографирования» Вселенной — зная положения звезд и галактик, мы можем лучше понять, как они формируются, эволюционируют и взаимодействуют.
Это позволило увидеть сахаровские осцилляции в лабораторных условиях
Немецкие физики с помощью двумерного бозе-конденсата атомов калия симулировали поведение квантовых полей в искривленном пространстве-времени. Для создания нужной метрики они меняли плотность конденсата и силу взаимодействия атомов друг с другом в пространстве и во времени. Авторы убедились, что движение акустических волн хорошо описывается предсказаниями общей теории относительности, а расширение пространства вызывает спонтанное рождение пар фононов, демонстрирующих сахаровские осцилляции. Исследование опубликовано в Nature. Общая теория относительности сделала возможным исследование того, как зарождалась и развивалась наша Вселенная. Она оперирует языком кривизны пространства-времени, которая математически описывается с помощью метрического тензора (метрики). Метрика задает нам правила определения длин в искривленном пространстве-времени, и, следовательно, то, какими будут его геодезические — так в теории относительности называют линии свободного падения тел. Поведение квантового вакуума также оказалось чувствительным к свойствам пространства-времени. Сейчас ученые уверены, что характер расширения ранней Вселенной сыграл ключевую роль в квантовофлуктуационном рождении элементарных частиц и последующего формирования привычной нам материи. Главным источником проверки космологических теорий по сей день остаются астрономические наблюдения. Тем не менее, еще в 80-е годы прошлого века Унру заметил, что распространение звука в сходящемся потоке жидкости очень похоже на поведение квантовых полей в классическом гравитационном поле. С тех пор физики сделали множество попыток симуляции космологических эффектов с помощью более доступных явлений и сред. Одной из таких работ стало исследование спектра излучения Хокинга, испускаемого акустическим аналогом черной дыры, которую ученые воссоздали в конденсате Бозе — Эйнштейна. Селия Вирманн (Celia Viermann) и ее коллеги из Гейдельбергского университета пошли дальше и превратили двумерный конденсат холодных атомов в аналог вселенной размерности 2+1 с произвольной метрикой. Симулируя пространство-время с различной кривизной, физики показали, что движение акустических волновых пакетов вдоль геодезических происходит согласно предсказаниям общей теории относительности. Когда же ученые заставили искусственную вселенную расширяться, они увидели, как в ней спонтанно рождаются пары фононов, демонстрирующие осцилляции Сахарова. Возможность подобных симуляций обуславливает тот факт, что элементарные возбуждения квантовых полей в вакууме и в конденсированных средах описываются похожим образом. Методы квантовой теории поля, привнесенные в физику твердого тела в середине прошлого века, помогли бурному развитию последней. Стоит учитывать, однако, что свойства квазичастиц, например, фононов, напрямую зависят от свойств самих сред. Так, скоростью звука в конденсате можно управлять «на лету», меняя его плотность и силу взаимодействия между атомами в пространстве и времени, в отличие от скорости света, которая всегда постоянна. Тем не менее, если перейти к системе координат, в которой скорость звука будет считаться постоянной, это будет эквивалентно привнесению кривизны в акустическое пространство-время. Физики начали с экспериментов с двумерным конденсатом, запертым в радиально-симметричной гармонической ловушке. Оказалось, что таким способом можно реализовать 2+1-мерное гиперболическое пространство (то есть пространство с отрицательной кривизной) с метрикой Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера. Чтобы посмотреть, как движутся волны в таком пространстве, авторы фокусировали в середину облака короткий лазерный импульс и фотографировали конденсат в различные моменты времени. Оказалось, что распространение акустического волнового пакета хорошо описывается уравнениями для гиперболических пространств. Ученые повторили эксперимент для пространства с положительной кривизной (сферического пространства), хотя для этого потребовалось нужным образом модифицировать поле ловушки с помощью микрозеркального устройства. На следующем этапе своей работы физики решили исследовать эффекты, вызванные космологическим расширением искусственного пространства. Для этого они связали масштабный фактор расширения со скоростью звука в лабораторной системе координат. Для временно́го контроля последней ученые использовали магнитное поле, которое через резонанс Фешбаха влияло на длину рассеяния атомов в конденсате. Наращивая поле с различной скоростью, они реализовывали равномерное, ускоряющееся и замедляющееся расширение вселенной. В квантовой теории поля расширение пространства приводит к спонтанному рождению пар частиц. Такой же эффект увидели ученые и в симуляции. Он выражался в том, что в режиме расширения в конденсате спонтанно образовывались флуктуации плотности, соответствующие парам фононов. Со временем волновые функции этих возбуждений распространялись в виде расходящихся волн, интерферируя друг с другом. Чтобы охарактеризовать этот процесс, физики вычисляли корреляционную функцию этих флуктуаций в динамике при различных сценариях расширения и скоростях наращивания поля. Экстремумы этой функции смещались со временем со скоростью порядка 2,5 микрометра в миллисекунду, что равно удвоенному значению скорости звука в конденсате. Другими словами, авторы увидели, как отдаляются противоположные части волновых фронтов вновь рожденных частиц. Наконец, ученые исследовали то, как со временем меняются компоненты разложения корреляционных функций в ряд Фурье. Оказалось, что они испытывают периодическое изменение с хорошей точностью описываемое простым законом косинуса. Обнаруженные осцилляции — это аналог космологических осцилляций Сахарова, то есть колебаний в спектре мощности вещества, наблюдаемое во Вселенной. Авторы убедились, что зависимость амплитуды и фазы этих осцилляций находится в хорошем согласии с теорией. В дальнейшем физики надеются экспериментально исследовать и другие космологические вопросы, например, эволюцию квантовой запутанности, связь горизонтов событий, термодинамические эффекты и многое другое. Ранее мы рассказывали, как американские физики использовали холодные атомы в оптических решетках, чтобы проверить эффект гравитационного красного смещения, вызванного перепадом высоты всего лишь в один миллиметр.