Planck afslører forbindelsen mellem aktive galakser og deres mørke stofmiljø

Forskere har brugt de bittesmå forvrængninger, der er indprentet på den kosmiske mikrobølgebaggrund af stoffets tyngdekraft i hele universet, optaget af ESA's Planck-satellit, at afdække sammenhængen mellem lysstyrken af ​​kvasarer – de lyse kerner i aktive galakser – og massen af ​​de meget større 'haloer' af mørkt stof, som de sidder i. Resultatet er en vigtig bekræftelse for vores forståelse af, hvordan galakser udvikler sig på tværs af kosmisk historie.

De fleste galakser i universet er kendt for at være vært for supermassive sorte huller, med masser af millioner til milliarder af gange Solens masse, i deres kerne. Størstedelen af ​​disse kosmiske monstre er 'sovende', med ringe eller ingen aktivitet i nærheden af ​​dem, men omkring en procent er klassificeret som 'aktiv', ophobning af stof fra deres omgivelser i meget intense hastigheder. Denne tilvækstproces får materiale i det sorte huls nærhed til at skinne klart over det elektromagnetiske spektrum, gør disse aktive galakser, eller kvasarer, nogle af de lyseste kilder i kosmos.

Selvom det stadig er uklart, hvad der aktiverer disse sorte huller, tænde og slukke for deres fase af intens tilvækst, det er sandsynligt, at kvasarer spiller en vigtig rolle i reguleringen af ​​galaksernes udvikling på tværs af den kosmiske historie. Af denne grund, det er afgørende at forstå forholdet mellem kvasarer, deres værtsgalakser, og deres miljø i endnu større skalaer.

I en nylig undersøgelse ledet af James Geach fra University of Hertfordshire, Storbritannien, videnskabsmænd har kombineret data fra ESA's Planck-mission med den hidtil største undersøgelse af kvasarer til rådighed for at kaste lys over dette fascinerende emne.

Ifølge det førende scenarie for strukturdannelse i universet, galakser tager form ud af almindeligt stof i de tætteste knob på det kosmiske væv – et filamentært netværk, består primært af det usynlige mørke stof, der gennemsyrer kosmos. På tur, den komplekse fordeling af både almindeligt og mørkt stof stammer fra små fluktuationer i det oprindelige univers, som efterlader et aftryk i den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB), det ældste lys i universets historie.

Planck-satellitten har scannet himlen mellem 2009 og 2013 for at skabe det mest præcise kort over hele himlen over CMB, gør det muligt for videnskabsmænd at forfine vores viden om tidsalderen, udvidelse, historie, og universets indhold til hidtil usete niveauer af nøjagtighed.

Og der er mere:som forudsagt af Albert Einsteins generelle relativitetsteori, massive genstande bøjer rumtidens stof omkring dem, forvrængning af alt – selv lys – der passerer i nærheden. Dette fænomen, kendt som gravitationslinser, påvirker også Plancks målinger af CMB, som bærer et aftryk af den storstilede fordeling af stof, som det ældste kosmiske lys stødte på undervejs til satellitten.

"Vi ved, at galakser dannes og udvikler sig i et usynligt 'stillads' af mørkt stof, som vi ikke direkte kan observere, men vi kan udnytte de gravitationelle linseforvrængninger, der er præget på den kosmiske mikrobølgebaggrund for at lære om strukturerne af mørkt stof omkring galakser, " siger James Geach.

Gravitationslinseforvrængninger af CMB er små, omarrangere CMB-himmelbilledet på skalaer på omkring 10 bueminutter - svarende til kun en tredjedel af fuldmånens diameter. Men mange små afbøjninger fra den anden side af himlen kan kombineres, ved hjælp af statistiske metoder, for at opnå et stærkere signal, hober de indsamlede data op omkring mange kvasarer.

I deres forskning, Geach og kolleger analyserede det seneste gravitationslinsekort opnået af Planck-teamet, offentliggjort som en del af Planck Legacy Release i 2018, i kombination med 200 000 kvasarer udtaget fra den største prøve, der nogensinde er indsamlet, de mere end en halv million kvasarer, der omfatter Data Release 14 i Sloan Digital Sky Survey kvasarkataloget.

"Ved at kombinere Planck-dataene med et så stort udvalg af kvasarer, vi kunne måle massen af ​​de mørke stof-haloer, hvori kvasarværtsgalakserne er indlejret, og undersøg, hvordan dette varierer for kvasarer med forskellig lysstyrke, " siger Geach.

Analysen antyder, at jo mere lysende en kvasar er, jo mere massiv er dens glorie af mørkt stof.

"Dette er overbevisende bevis på, at der eksisterer en sammenhæng mellem lysstyrken af ​​en kvasar, energi, der frigives i umiddelbar nærhed af et supermassivt sort hul - et område, der måske strækker sig over et par lyse dage - og massen af ​​den omfattende glorie af mørkt stof og det omgivende miljø, som strækker sig i titusinder af lysår rundt om kvasaren, " forklarer Geach.

"Vi bruger den kosmiske mikrobølgebaggrund som en slags 'baggrundslys' til universet. Baggrundslyset er gravitationsmæssigt linset af forgrundsstof, og så ved at korrelere galakser med Planck-linsekortet, vi har en ny måde at studere galakser og deres udvikling på."

Fundet understøtter teoretiske modeller for kvasardannelse, som forudsiger en sammenhæng mellem kvasarlysstyrke og halomasse, især for de mest lysende kvasarer, hvor de sorte huller ophober stof tæt på den maksimale hastighed.

Undersøgelsen fokuserede på fjerne kvasarer, der observeres, som de var, da universet var omkring fire milliarder år gammelt - omkring en tredjedel af dets nuværende alder på næsten 14 milliarder år. Dette er tæt på toppen af ​​æraen med supermassiv sort hul-vækst. I kombination med dybere kvasarundersøgelser i fremtiden, Planck-dataene kunne gøre det muligt for videnskabsmænd at skubbe disse undersøgelser til endnu tidligere tider i den kosmiske historie, op til den epoke, hvor de første kvasarer blev dannet.

"Dette resultat viser styrken af ​​Plancks gravitationslinsemålinger, som gør det muligt for os at måle de usynlige strukturer af mørkt stof, hvori galakser dannes og udvikler sig, siger Jan Tauber, Planck-projektforsker ved ESA.

"Arven fra Planck er ret forbløffende, med data, der bliver brugt til en meget bredere vifte af videnskabelige anvendelser end oprindeligt tænkt til."

"Halomassen af ​​optisk lysende kvasarer ved z~1-2 målt via gravitationsafbøjning af den kosmiske mikrobølgebaggrund" af J. E. Geach et al. er udgivet i The Astrophysical Journal , Bind 874, Nummer 1.