Aktive galakser peger på ny fysik af kosmisk ekspansion

Undersøgelse af vores kosmos historie med en stor prøve af fjerne 'aktive' galakser observeret af ESA's XMM-Newton, et hold af astronomer fandt ud af, at den tidlige udvidelse af universet kunne have mere end forudsagt af standardmodellen for kosmologi.

Ifølge det førende scenarie, vores univers indeholder kun nogle få procent af almindeligt stof. En fjerdedel af kosmos er lavet af det undvigende mørke stof, som vi kan mærke gravitationsmæssigt, men ikke observere, og resten består af den endnu mere mystiske mørke energi, der driver den aktuelle acceleration af universets udvidelse.

Denne model er baseret på et væld af data indsamlet over de sidste par årtier, fra den kosmiske mikrobølgebaggrund, eller CMB – det første lys i kosmos historie, udgivet kun 380, 000 år efter big bang og observeret i hidtil uset detalje af ESA's Planck-mission – til mere 'lokale' observationer. Sidstnævnte omfatter supernovaeksplosioner, galaksehobe og gravitationsforvrængning præget af mørkt stof på fjerne galakser, og kan bruges til at spore kosmisk ekspansion i de seneste epoker af kosmisk historie - over de seneste ni milliarder år.

En ny undersøgelse, ledet af Guido Risaliti fra Università di Firenze, Italien, og Elisabeta Lusso fra Durham University, Storbritannien, peger på en anden type kosmisk sporstof – kvasarer – der ville udfylde en del af hullet mellem disse observationer, måling af universets udvidelse for op til 12 milliarder år siden.

Kvasarer er kernerne i galakser, hvor et aktivt supermassivt sort hul trækker stof ind fra omgivelserne med meget intense hastigheder, skinner klart over det elektromagnetiske spektrum. Når materiale falder ned i det sorte hul, den danner en hvirvlende skive, der udstråler i synligt og ultraviolet lys; dette lys, på tur, opvarmer elektroner i nærheden, genererer røntgenstråler.

Tre år siden, Guido og Elisabeta indså, at et velkendt forhold mellem den ultraviolette og røntgenstrålende lysstyrke af kvasarer kunne bruges til at estimere afstanden til disse kilder - noget, der er notorisk vanskeligt i astronomi - og, ultimativt, at undersøge universets ekspansionshistorie.

Astronomiske kilder, hvis egenskaber giver os mulighed for at måle deres afstande, omtales som 'standardlys'.

Den mest bemærkelsesværdige klasse, kendt som 'type-Ia' supernova, består af den spektakulære død af hvide dværgstjerner, efter at de har overfyldt materiale fra en ledsagerstjerne, generere eksplosioner af forudsigelig lysstyrke, der gør det muligt for astronomer at udpege afstanden. Observationer af disse supernovaer i slutningen af ​​1990'erne afslørede universets accelererede ekspansion i løbet af de sidste par milliarder år.

"At bruge kvasarer som standardlys har et stort potentiale, da vi kan observere dem i meget større afstande fra os end type Ia supernovaer, og så brug dem til at undersøge meget tidligere epoker i kosmos historie, " forklarer Elisabeta.

Med et stort udvalg af kvasarer ved hånden, astronomerne har nu brugt deres metode i praksis, og resultaterne er spændende.

Graver i XMM-Newton-arkivet, de indsamlede røntgendata for over 7000 kvasarer, kombinere dem med ultraviolette observationer fra den jordbaserede Sloan Digital Sky Survey. De brugte også et nyt sæt data, specielt opnået med XMM-Newton i 2017 for at se på meget fjerne kvasarer, observere dem, som de var, da universet kun var omkring to milliarder år gammelt. Endelig, de supplerede dataene med et lille antal endnu fjernere kvasarer og med nogle relativt nærliggende, observeret med NASAs Chandra og Swift røntgenobservatorier, henholdsvis.

"Sådan en stor prøve gjorde det muligt for os at undersøge forholdet mellem røntgenstråler og ultraviolet emission af kvasarer i omhyggelige detaljer, hvilket i høj grad raffinerede vores teknik til at vurdere deres afstand, siger Guido.

De nye XMM-Newton observationer af fjerne kvasarer er så gode, at holdet endda identificerede to forskellige grupper:70 procent af kilderne skinner klart i lavenergi røntgenstråler, mens de resterende 30 procent udsender mindre mængder røntgenstråler, der er karakteriseret ved højere energier. Til den videre analyse, de beholdt kun den tidligere gruppe af kilder, hvor sammenhængen mellem røntgen og ultraviolet emission fremstår klarere.

"Det er ret bemærkelsesværdigt, at vi kan skelne et sådant detaljeringsniveau i kilder så fjernt fra os, at deres lys har rejst i mere end ti milliarder år, før de når os, siger Norbert Schartel, XMM-Newton-projektforsker ved ESA.

Efter at have skimmet dataene igennem og bragt prøven ned til omkring 1600 kvasarer, astronomerne stod tilbage med de allerbedste observationer, fører til robuste skøn over afstanden til disse kilder, som de kunne bruge til at undersøge universets ekspansion.

"Når vi kombinerer kvasarprøven, som strækker sig over næsten 12 milliarder års kosmisk historie, med den mere lokale prøve af type Ia supernovaer, kun dækker de sidste otte milliarder år eller deromkring, vi finder lignende resultater i de overlappende epoker, " siger Elisabeta.

"Imidlertid, i de tidligere faser, som vi kun kan sondere med kvasarer, vi finder en uoverensstemmelse mellem den observerede udvikling af universet og hvad vi ville forudsige baseret på den standard kosmologiske model."

Ser vi ind i denne tidligere dårligt udforskede periode af kosmisk historie ved hjælp af kvasarer, astronomerne har afsløret en mulig spænding i standardmodellen for kosmologi, hvilket kan kræve tilføjelse af ekstra parametre for at forene dataene med teorien.

"En af de mulige løsninger ville være at påkalde en mørk energi i udvikling, med en tæthed, der stiger som tiden går, siger Guido.

I øvrigt, denne særlige model ville også afhjælpe en anden spænding, som har holdt kosmologer beskæftiget på det seneste, om Hubble-konstanten – den nuværende hastighed af kosmisk ekspansion. Denne uoverensstemmelse blev fundet mellem estimater af Hubble-konstanten i lokaluniverset, baseret på supernovadata – og, selvstændigt, på galaksehobe – og dem, der er baseret på Plancks observationer af den kosmiske mikrobølgebaggrund i det tidlige univers.

"Denne model er ret interessant, fordi den måske løser to gåder på én gang, men juryen er bestemt ikke ude endnu, og vi bliver nødt til at se på mange flere modeller i detaljer, før vi kan løse denne kosmiske gåde, " tilføjer Guido.

Holdet ser frem til at observere endnu flere kvasarer i fremtiden for at forfine deres resultater yderligere. Yderligere spor vil også komme fra ESA's Euklid-mission, planlagt til en lancering i 2022 for at udforske de seneste ti milliarder års kosmisk ekspansion og undersøge naturen af ​​mørk energi.

"Det er interessante tidspunkter at undersøge historien om vores univers, og det er spændende, at XMM-Newton kan bidrage ved at se på en kosmisk epoke, der var forblevet stort set uudforsket indtil videre, slutter Norbert.