Sporing af universet:Røntgenundersøgelse understøtter standard kosmologisk model

Scanning af himlen efter røntgenkilder, ESAs XMM-Newton røntgenobservatorium har haft travlt med XXL-undersøgelsen, sit hidtil største observationsprogram. Den anden batch data fra undersøgelsen er netop blevet frigivet, herunder oplysninger om 365 galaksehobe, som sporer universets store struktur og dets udvikling gennem tiden, og på 26 000 aktive galaktiske kerner (AGN).

Ved at undersøge to store områder på himlen med stor følsomhed, dette er den første røntgenundersøgelse til at opdage nok galaksehobe og AGN i sammenhængende mængder plads til at gøre det muligt for forskere at kortlægge fordelingen af ​​disse objekter ud til det fjerne univers i detaljer uden fortilfælde. Resultaterne er forenelige med forventningerne fra den aktuelt accepterede kosmologiske model.

Røntgenstråler produceres i nogle af de mest energiske processer i universet, men fordi de er blokeret af Jordens atmosfære, de kan kun observeres fra rummet. Når røntgenteleskoper observerer det ekstragalaktiske univers, de ser dybest set to kilder:den varme gas, der gennemsyrer galakser, og aktive galaktiske kerner (AGN) - lyse, kompakte områder i midten af ​​nogle galakser, hvor et supermassivt sort hul tiltrækker det omgivende stof.

ESAs XMM-Newton er et af de mest kraftfulde røntgenteleskoper, der nogensinde er placeret i kredsløb. I løbet af de sidste otte år har det har brugt 2000 timer på at måle røntgenstråling som en del af XXL-undersøgelsen, som søgte efter galaksehobe og AGN ved at scanne to områder med tilsyneladende tom himmel, der hver måler 25 kvadratgrader (som reference, fuldmåne måler cirka en halv grad på tværs).

Det første sæt XXL -data blev frigivet i 2015; den omfattede 100 af de klareste galaksehobe og 1000 AGN. Denne måned, et nyt datakatalog blev udgivet med overraskende 365 klynger og 26 000 AGN. De første resultater ved hjælp af disse data er offentliggjort i et særnummer af Astronomi og astrofysik .

Undersøgelsen kortlagde røntgenklynger så fjernt, at lyset forlod dem, da universet bare var halvdelen af ​​dets nuværende alder, og AGN, der er endnu længere væk. Nogle af de observerede kilder er så vidtstrakte, at XMM-Newton ikke modtog mere end 50 røntgenfotoner fra dem, gør det udfordrende at fortælle, om de er klynger eller AGN.

"Det var relativt let at finde galaksehobe og AGN, fordi de er de eneste ekstragalaktiske objekter, der er synlige i røntgenlys, "forklarer Marguerite Pierre fra CEA Saclay, Frankrig.

"Men vi var nødt til at bruge flere andre teleskoper til at opsamle lys ved mange forskellige bølgelængder, samt omfattende computerfaciliteter, at indsamle flere oplysninger om hver kilde, herunder at fastgøre deres natur og afstand. "

Materiale i universet er ikke jævnt fordelt, men danner et kosmisk filament af filamenter formet af tyngdekraften, med galaksehobe fundet i deres kryds. Galaxy-klynger er de største bundne enheder i universet-de sporer de højeste tæthedstoppe i dets storskala struktur, hvilket gør dem til et stærkt værktøj til at besvare spørgsmål om kosmologi.

Universets struktur og udvikling er beskrevet af et sæt kosmologiske parametre, som inkluderer densiteten af ​​dens forskellige komponenter og den hastighed, den udvider. I øjeblikket, vi kender værdien af ​​mange af disse parametre ret godt, men store prøver af kosmiske sporstoffer på forskellige afstande er nødvendige for mere præcist at beskrive den underliggende struktur i universet. Det endelige mål med XXL -undersøgelsen er at levere en omfattende, velkarakteriseret katalog af klynger, der kan bruges til at begrænse de kosmologiske parametre.

ESAs Planck -satellit bestemte værdier for kosmologiske parametre ved at studere den kosmiske mikrobølge baggrund, som er information fra det meget tidlige univers. Efter at have estimeret disse parametre ved hjælp af de nyeste data fra XXL -undersøgelsen - som er baseret på oplysninger fra det nyere univers - sammenlignede forskere deres fund med Planck -værdierne.

"Selvom vi ikke fandt så mange galaksehobe som forudsagt af den kosmologiske model Planck, vi opnåede en distribution af klynger og AGN, der er kompatibel med den i øjeblikket foretrukne kosmologiske model, som tyer til Einsteins kosmologiske konstant som en forklaring på universets accelererede ekspansion, frem for at påberåbe sig endnu mere eksotiske muligheder, ”forklarer Marguerite Pierre.

"Vi kan allerede forbedre Planck -estimatet for den kosmologiske konstant, selvom vores analyse kun er blevet udført på halvdelen af ​​XXL -klyngeprøven; vi vil bruge de næste par år på at analysere resten af ​​dataene med det formål at forfine de kosmologiske begrænsninger. "

Det er vanskeligere at estimere værdier for de kosmologiske parametre ved hjælp af AGN, da deres egenskaber påvirkes af mange ydre påvirkninger. Forskere har i stedet brugt AGN -data fra XXL -undersøgelsen til at forstå mere om, hvordan sorte huller dannes og udvikler sig.

Takket være XXL, det er første gang, at forskere har været i stand til at måle den tredimensionelle klyngeeffekt af fjerne røntgenklynger og AGN på meget store skalaer. De kan nu endelig se, hvor AGN er placeret inden for den store struktur i universet, der er angivet af galaksehobe.

Resultaterne bekræfter, at XMM-Newton er en kraftfuld undersøgelsesmaskine. De baner også vejen for den endelige kosmologiske analyse af denne undersøgelse, som vil give uafhængige begrænsninger for de kosmologiske parametre til at afdække flere mysterier i universet.

Det kosmiske web vil blive undersøgt yderligere af ESAs fremtidige Euclid -satellit, som vil observere lys udsendt for op til 10 milliarder år siden. Euclid vil se et stort antal kilder, da det vil detektere optisk og infrarødt lys; med sit store undersøgte område og rige multi-bølgelængde dækning, XXL -dataene vil tjene som reference for disse observationer.

Observationer fra XMM-Newton har også rejst nye spørgsmål om galaksehobbers fysik, som vil blive undersøgt mere detaljeret ved ESA's næste røntgenmission, Athena. På grund af lanceringen i 2031, Athena vil være langt mere følsom end sin forgænger. Mens XMM-Newton kan observere klynger på forskellige afstande fra os, undersøger forskellige epoker i universets historie, Athena vil observere klynger så fjernt, at deres lys forlod dem, da de dannede, fortæller os endnu mere om, hvordan disse gigantiske strukturer tager form og udvikler sig.

I mellemtiden, forskere i XXL -samarbejdet planlægger at behandle de resterende observationer og gennemgå data ved hjælp af forbedrede behandlingsteknikker. Den sidste XXL-dataudgivelse, der indeholder endnu flere røntgenkilder, samt den komplette kosmologiske analyse, forventes i 2021.

"Det er meget spændende, at data fra dette rumteleskop bidrager til vores forståelse af universets udvikling, "afslutter Norbert Schartel, XMM-Newton Project Scientist hos ESA. "Dette blev muliggjort takket være samarbejdet mellem et stort antal institutioner i mange forskellige lande."