Hvad Quasar-kosmologi kan lære os om mørk energi

Astronomer har fundet en måde at forvandle kvasarer til standardlys med potentielt vidtrækkende konsekvenser for arten af ​​mystisk mørk energi.

Dette diagram viser ændringer i ekspansionstakten siden Big Bang. For omkring 5 milliarder år siden observerer astronomer virkningerne af en mystisk styrke, der får galakser til at flyve fra hinanden med en hurtigere hastighed.
NASA / WMAP

For to årtier siden opdagede astronomer, at universet ikke kun ekspanderede, men accelererede i dets ekspansion. De kaldte årsagen til denne accelererende mørke energi, men hvad det faktisk er, forbliver lige så ineffektivt nu som det var dengang.

Den underlige frastødende kraft har efterladt sine fingeraftryk på de tidligste fotoner, vi kan se, dem, der udsendes som en del af den kosmiske mikrobølgebakgrund (CMB), da spædbarnsuniverset kun var 370.000 år gammelt. Alligevel begyndte mørk energi kun at dominere ekspansion, da universet gik i middelalderen efter 9 milliarder år eller deromkring.

Nu bruger Guido Risaliti (University of Florence og INAF-Astrophysical Observatory of Arcetri, Italien) og Elisabeta Lusso (Durham University, UK) kvasarer til at undersøge kosmologien i vores univers s relativt uudforskede ungdom. Resultaterne, der vises i den 28. januar Nature Astronomy, lover at afsløre mørk energis ægte natur.

Den førende forklaring på mørk energi har længe været den kosmologiske konstant, også kendt som vakuumenergi. Denne energi, der er iboende ved det tomme rum, stammer fra kvanteteori, der siger, at selv når pladsen synes tom for partikler, er den faktisk fyldt med kvantefelter. Disse felter udøver et negativt tryk, der modvirker den attraktive tyngdekraft. Beregninger af vakuumenergi overbeskriver dog den målte mørke energitetthed med en forbløffende 120 størrelsesorden (at sa 1 efterfulgt af 120 nuller!). At den kosmologiske konstant forbliver favoritteorien taler til, hvor lidt vi forstår mørk energi, og hvor vanskelige de involverede målinger er.

At studere universet i alle aldre begynder med at måle den kosmologiske afstand jo længere vi ser, jo længere tilbage i tiden ser vi, men vi kan ikke bare rulle et målebånd ud til stjerner. Indtast standardlys, genstande, som vi kan måle en iboende lysstyrke for. Ved at sammenligne hvor lyst et standardlys ser ud til at være, hvor lyst det virkelig er, kan vi bestemme dets afstand uden at vide noget om kosmologi.

Supernovaer af type Ia har længe været de lyseste af standardlys. Observationer af disse detonerende hvide dværge førte til den Nobel-vindende opdagelse af accelererende ekspansion, der blev annonceret tilbage i 1998. Supernovaerne udvidede vores rækkevidde til, da universet var en tredjedel af sin nuværende alder. Det er en ganske god målebånd! Ikke desto mindre undersøger det kun den æra, hvor mørk energi begyndte at dominere universets udvidelse. For at se længere tilbage og undersøge den æra, hvor mørk energi overhørte materien, har astronomer brug for noget endnu mere lysende.

Kvasarer som standardlys

At forstå fysikken i kvasar-akkretionsskiver (blå-hvid) og røntgenstrålende korona (gul) kan hjælpe astronomer med at bruge kvasarer som standardlys.
NASA / CXC / M. Weiss

Hvad er mere lysende end en eksploderende stjerne? Et gas-guzzling supermassivt sort hul ville gøre susen. Når alt kommer til alt er kvasarer strålende nok til at ses fra et univers, der er mindre end en milliard år gammel, hvilket gør dem til primære mål for at nå tidligere epoker.

Desværre udviser kvasarer også en forvirrende række former astronomer har længe troet, at de var alt andet end standard. Tilfælde: Astronomer har vidst i de sidste 30 år, at mere synlige lysende kvasarer udsender relativt færre røntgenstråler, men der var for stor variation fra en kvasar til en anden til at fastgøre en kvasars egenartede lysstyrke.

Risaliti og Lusso indså, at denne forbindelse mellem udsendelse af røntgenstråler og synligt lys må stamme fra fysikken i kvasar-akkretionsskiver. Disken i sig selv udsender synligt lys, mens en varm, gasformig korona udsender røntgenstrålerne. De to er sammenflettet af ligetil fysik; det var bare det, at forurenende stoffer tidligere havde narret tingene op. Så for denne undersøgelse fjernede Risaliti og Lusso alle kilder, hvor diskemission er skjult (af støv eller gas) eller forurenet (ved emission fra en hurtigstrømmende sort hulstråle). Deres omhyggelige markering resulterer i en meget strammere og mere nyttig relation. Ved hjælp af data fra Sloan Digital Sky Survey og XMM-Newton, Chandra og Swift rumteleskoper, anvender duoen derefter forholdet til at gøre 1.600 kvasarer til standardlys.

Universets historie viser et afgørende tidspunkt, hvor ekspansionen skiftede fra retardation til accelererende. Men fremtiden hænger stadig i balance, afhængigt af opførsel af mørk energi. Hvis mørk energi øges, bliver alt revet fra hinanden; hvis det ændrer retning, kan kosmos ende i en stor knas.
NASA / CXC / M.Weiss

Kvasarerne hjælper Risaliti og Lusso med at udfylde hullet langs den kosmiske tidslinje og ser tilbage på et ungdomsunivers kun en milliard år gammel. Fra disse data finder teamet, at mørk energi faktisk stiger over den kosmiske tid.

Resultaterne ser ud til at udelukke den kosmologiske konstant, der forudsiger en konstant energitæthed. Det er lidt en lettelse, da vakuumenergi overforudsætter observationer så dårligt. (Nævnte jeg de 120 størrelsesordener?) At udvikle mørk energi kan også hjælpe med at løse en vedvarende spænding mellem målinger af universets nuværende ekspansionshastighed.

Ikke desto mindre er resultaterne foruroligende ud fra et filosofisk synspunkt: Hvis mørk energitæthed virkelig øges over tid, så gør også den frastødende kraft, den udøver, potentielt ende vores univers i en Big Rip.

For tidligt til at fortælle

Lad os dog ikke opgive universet endnu. Phil Hopkins (Caltech), der ikke var involveret i undersøgelsen, opfordrer indtrængende til forsigtighed med at fortolke dens resultater. Forholdet, som Lusso og Risaliti bruger til at omdanne kvasarer til standardlys kan selv udvikle sig over tid, hvilket gør disse kvasarer ikke så standard. Hvis kvasarer for eksempel bremser deres gas-guzzling, efterhånden som fusioner bliver mindre hyppige, kan det ændre formen på forholdet mellem udsendelse af røntgenstråler og synligt lys. ”[Forholdet] behøver kun udvikle sig lidt for at forklare disse observationer, ” tilføjer han.

Når det er sagt, er Hopkins enig i, at resultaterne er interessante og værd at følge op med endnu større og bedre prøver. Forfatterne bemærker også, at andre undersøgelser, der undersøger det ungdommelige univers, kommer. Linjen er høj i disse dage for at modbevise den standard kosmologiske model, og kun tid og yderligere undersøgelse viser, om dette er den metode, der vil gøre det.