类星体成为测量宇宙膨胀用的最新标准模型

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天文学家分析欧洲太空总署(ESA)XMM-牛顿太空望远镜的大量遥远活跃星系(active galaxy)观测数据以探究宇宙历史的过程中,发现更多关于宇宙标准模型(standard model of cosmology)所预测的宇宙膨胀初期的状况。

活跃星系用作测量宇宙膨胀速度示意图。

根据现行较为学界接受的版本,我们的宇宙含有的普通物质(ordinary matter)只占了很小一部份。约有1/4是由谜样的暗物质(dark matter)构成,只能透过重力交互作用得知它们的存在。剩下超过7成的组成成分是更神秘并是促使宇宙加速膨胀的暗能量(dark energy)。

这个宇宙模型是根据过去数十年收集的众多数据资料而建立的,包含宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background,CMB),这是宇宙历史长河中的第一道光,在大霹雳(big bang)后约380,000年释出,ESA的普朗克太空望远镜(Planck mission)曾非常详细的观测CMB在局部宇宙中的分布概况。而后,天文学家还透过观测超新星爆炸、星系团和因遥远星系中的暗物质所造成的重力扭曲等,追踪跨越过去90亿年「近期」宇宙历史中的宇宙膨胀情形。

意大利佛罗伦萨大学(Universitàdi Firenze)Guido Risaliti和英国杜伦大学(Durham University)Elisabeta Lusso等人的最新研究指出:透过另一个「宇宙示踪物(cosmic tracer)」—类星体(quasar)—来填补一部份以上各种观测间的空隙,使对宇宙膨胀概况的认知拓展至距今120亿年前。

类星体是遥远星系中心的超大质量黑洞猛烈吞噬大量周边物质而释放出大量能量的结果,所以整个电磁波谱都非常明亮。当物质落往黑洞时,会在黑洞周边形成一个旋转的盘面结构,称为「吸积盘(acretion disk)」,在此过程中会发射出可见光和紫外光,而这些光会加热邻近的电子从而产生X光。

大约3年前,Guido和Elisabeta领悟到有个知名的类星体发出的紫外光和X光的亮度关连性,或许可以应用在估计类星体的距离上,这在天文学中是出了名的「伎俩」,而这种应用最后能推展到探索宇宙膨胀历史上。

这种发光特性能用在估测距离的天文光源称为「标准烛光」。近年最醒目的标准烛光就是Ia型超新星,利用双星中的白矮星掠夺伴星物质累积到超过白矮星质量上限时所引发的超新星爆炸,因为有这个1.4倍太阳质量的钱卓极限的上限,因此天文学家们认为Ia型超新星爆发时的绝对亮度都会相同,利用绝对亮度和视亮度之间的距离模数关系式,就可以求出该天体的距离。从1990年代末期累积至今的Ia型超新星爆炸观测结果指出我们的宇宙在过去几十亿年是处在加速膨胀的状态。
I a型超新星和类星体应用在宇宙膨胀研究的结果。

这些天文学家认为将类星体用作标准模型在宇宙膨胀相关研究上有很大潜质,因为它们够亮,即便在很遥远之处都能观测到,可观测距离远超过Ia型超新星,换句话说,可以探测到更早之前的宇宙时期的状况。因此他们积极的从各观测数据库中挖掘所需数据,将理论化为实践,好在结果相当喜人。从XMM-牛顿太空望远镜数据库中累积多年的7000多笔类星体X光数据,再与地面望远镜进行的史隆数位巡天的紫外光数据结合后,进行分析研究。另外还有加入新观测数据,尤其是从XMM-牛顿在2017年观测的部分搜寻那些距离非常远、约相当于宇宙年龄仅约20亿年的时期内的类星体。最后,再从NASA的钱卓(Chandra)和史威福(Swift)两座X射线太空望远镜观测数据里补充一些更远的和相当近的类星体,让数据样本更趋完整,如此一来便提高了研究结果的可信度。

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