Μετρώντας την επέκταση του σύμπαντος – Οι ενεργοί γαλαξίες δείχνουν προς μια νέα φυσική της κοσμικής διαστολής

Ερευνώντας την ιστορία του κόσμου μας με ένα μεγάλο δείγμα απομακρυσμένων «ενεργών» γαλαξιών που παρατηρήθηκαν από το XMM-Newton της ESA, μια ομάδα αστρονόμων βρήκε ότι μπορεί να υπήρχαν περισσότεροι στην πρώιμη διαστολή του σύμπαντος από ότι προβλέπονταν από το καθιερωμένο πρότυπο της κοσμολογίας. Σύμφωνα με το κυρίαρχο σενάριο, το σύμπαν μας περιέχει μικρό ποσοστό μόνο συνηθισμένης ύλης. Ένα τέταρτο του κόσμου αποτελείται από την διαφεύγουσα τη «σύλληψη» σκοτεινή ύλη, την οποία μπορούμε να την αισθανθούμε βαρυτικά όμως όχι και να την παρατηρήσουμε και το υπόλοιπο συνίσταται από την ακόμη πιο μυστηριώδη σκοτεινή ενέργεια που οδηγεί την τρέχουσα επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος.

Το μοντέλο αυτό βασίζεται σε μια πληθώρα δεδομένων που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια των τελευταίων δυο δεκαετιών, από την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (ή CMB) – το πρώτο φως στην ιστορία του κόσμου, που απελευθερώθηκε μόνο 380000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και παρατηρήθηκε με απαράμιλλη λεπτομέρεια από την αποστολή Planck της ESA – μέχρι τις περισσότερο «τοπικές» παρατηρήσεις. Οι τελευταίες περιλαμβάνουν εκρήξεις υπερκαινοφανών, γαλαξιακά σμήνη και βαρυτικές παραμορφώσεις που αποτυπώθηκαν από τη σκοτεινή ύλη σε απομακρυσμένους γαλαξίες, και που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση της κοσμικής διαστολής σε πρόσφατες εποχές της κοσμικής ιστορίας – κατά τη διάρκεια των τελευταίων εννέα δισεκατομμυρίων ετών.

Η νέα μελέτη, υπό τον Guido Risaliti του Πανεπιστημίου της Firenze, στην Ιταλία και την Elisabeta Lusso του Πανεπιστημίου του Durham, στο Ηνωμένο Βασίλειο, δείχνουν έναν άλλο τύπο κοσμικού ιχνηλάτη – τα quasars – που θα μπορούσε να γεμίσει το κενό μεταξύ των παρατηρήσεων αυτών, μετρώντας την επέκταση του σύμπαντος πάνω από 12 δισεκατομμύρια χρόνια. Τα quasars είναι πυρήνες των γαλαξιών όπου μια ενεργός υπερμεγέθης μαύρη τρύπα έλκει ύλη από το περιβάλλον της με πολύ εντατικούς ρυθμούς, λάμποντας έντονα σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Καθώς το υλικό πέφτει μέσα στην μαύρη τρύπα, διαμορφώνει ένα στροβιλίζοντα δίσκο που ακτινοβολεί στο ορατό και στο υπεριώδες φως. Αυτό το φως στη συνέχεια θερμαίνει τα κοντινά ηλεκτρόνια, παράγοντας ακτίνες-Χ.

Πριν από τρία χρόνια, ο Guido και η Elisabeta συνειδητοποίησαν ότι μια πολύ γνωστή σχέση μεταξύ της φωτεινότητας υπεριώδους εκπομπής και ακτίνων-Χ των quasars θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να εκτιμηθεί η απόσταση για τις πηγές αυτές – κάτι που είναι πολύ δύσκολο στην αστρονομία – και τελικά για να ερευνήσουν την ιστορία της διαστολής του σύμπαντος. Οι αστρονομικές πηγές των οποίων οι ιδιότητες μας επιτρέπουν να μετρήσουμε τις αποστάσεις αναφέρονται ως «πρότυπα κηρία».

Η πιο αξιοσημείωτη κατηγορία, γνωστή ως υπερκαινοφανείς Τύπου-Ia, διαμορφώνεται από το θεαματικό θάνατο λευκών νάνων άστρων μετά αφότου έχουν γεμίσει με υλικό από ένα συνοδό άστρο, δημιουργώντας εκρήξεις προβλέψιμης φωτεινότητας που επιτρέπει τους αστρονόμους να εντοπίζουν την απόστασή τους. Παρατηρήσεις αυτών των υπερκαινοφανών στα τέλη της δεκαετίας του 1990 αποκάλυψαν την επιταχυνόμενη επέκταση του σύμπαντος κατά τη διάρκεια των μερικών τελευταίων δισεκατομμυρίων χρόνων. «Η χρήση των quasars ως πρότυπα κηρία έχει μεγάλες δυνατότητες, καθώς μπορούμε να τα παρατηρήσουμε σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις από εμάς από ότι τους υπερκαινοφανείς Τύπου-Ia και έτσι τους χρησιμοποιούμε για να εξερευνούμε πολύ νωρίτερες εποχές στην ιστορία του κόσμου», εξηγεί η Elisabeta.

Ερευνώντας τη διαστολή του σύμπαντος με υπερκαινοφανείς Τύπου-Ιa και quasars

Με ένα ευμέγεθες δείγμα quasars ανά χείρας, οι αστρονόμοι έχουν βάλει τώρα την μέθοδό τους σε εφαρμογή και τα αποτελέσματα είναι ενδιαφέροντα. Αναδιφώντας στο αρχείο του XMM-Newton, οι ερευνητές συνέλεξαν δεδομένα ακτίνων-Χ για πάνω από 7000 quasars, συνδυάζοντάς τα με παρατηρήσεις υπεριώδους από το επίγειο Sloan Digital Sky Survey. Χρησιμοποίησαν επίσης ένα σύνολο δεδομένων, που αποκτήθηκαν ειδικά με το XMM-Newton το 2017 για να κοιτάξουν στα πολύ μακρινά quasars, παρατηρώντας τα όπως υπήρχαν όταν το σύμπαν ήταν μόνο δυο περίπου δισεκατομμυρίων ετών. Τελικά, συμπλήρωσαν τα δεδομένα με ένα μικρό αριθμό ακόμη περισσότερο απομακρυσμένων quasars και με μερικά σχετικά κοντινά, που παρατηρήθηκαν με τα παρατηρητήρια της NASA Chandra και Swift X-ray αντίστοιχα. «Ένα τέτοιο δείγμα μας επιτρέπει να διερευνήσουμε προσεκτικά τη σχέση μεταξύ ακτίνων-Χ και υπεριώδους εκπομπής των quasars με πολύ μεγάλη λεπτομέρεια, που βελτίωσε πολύ την τεχνική μας για να εκτιμήσουμε τις αποστάσεις τους», αναφέρει ο Guido.

Οι νέες παρατηρήσεις του XMM-Newton για τα απομακρυσμένα quasars είναι τόσο καλές που η ομάδα των ερευνητών αναγνώρισε ακόμη δυο διαφορετικές ομάδες: το 70% των πηγών ακτινοβολούν σε χαμηλής ενέργειας ακτίνες-Χ, ενώ το απομένον 30% εκπέμπει χαμηλότερα ποσά ακτίνων-Χ που χαρακτηρίζονται από υψηλότερες ενέργειες. Για περαιτέρω ανάλυση, οι επιστήμονες κράτησαν μόνο την προγενέστερη ομάδα πηγών, στην οποία η σχέση μεταξύ ακτίνων-Χ και υπεριώδους εκπομπής φαίνεται καθαρότερα. Είναι αξιοσημείωτο το ότι είναι δυνατή η παρατήρηση σε τέτοιο επίπεδο λεπτομέρειας, σε πηγές τόσο απομακρυσμένες που το φως τους ταξίδεψε για περισσότερο από 10 δισεκατομμύρια χρόνια πριν να φθάσει στη Γη.

Μετά από το ξεκαθάρισμα των δεδομένων και φέρνοντας το δείγμα περίπου στα 1600 quasars, οι αστρονόμοι έμειναν με τις πολύ καλές παρατηρήσεις, οδηγώντας σε στιβαρές εκτιμήσεις της απόστασης αυτών των πηγών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να διερευνηθεί η διαστολή του σύμπαντος. Ωστόσο, στις νωρίτερες φάσεις που μπορούν να διερευνηθούν μόνο με τα quasars, οι επιστήμονες εντόπισαν μια ασυμφωνία μεταξύ της παρατηρηθήσας εξέλιξης του σύμπαντος και αυτού που προβλέπεται με βάση το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο. Ψάχνοντας στην προηγουμένως φτωχά εξερευνημένη περίοδο της κοσμικής ιστορίας, με τη βοήθεια των quasars, οι αστρονόμοι αποκάλυψαν μια πιθανή ένταση στο καθιερωμένο πρότυπο της κοσμολογίας, που μπορεί να απαιτεί την πρόσθεση επιπλέον παραμέτρων για να συμβαδίσουν τα δεδομένα με τη θεωρία. Μία από τις πιθανές λύσεις θα ήταν η εμπλοκή μιας εξελισσόμενης σκοτεινής ενέργειας, με μια που αυξάνεται καθώς περνάει ο χρόνος.

Παρεμπιπτόντως, αυτό το ιδιαίτερο μοντέλο θα μειώσει επίσης μια άλλη αβεβαιότητα που απασχολεί τους κοσμολόγους, αναφορικά με την σταθερά του Hubble – τον τρέχοντα ρυθμό της κοσμικής επέκτασης. Η ασυμφωνία αυτή βρέθηκε μεταξύ εκτιμήσεων της σταθεράς του Hubble στο τοπικό σύμπαν, που βασίζονται στα δεδομένα υπερκαινοφανών – και ανεξάρτητα, στα γαλαξιακά σμήνη – και σε αυτά που βασίζονται στις παρατηρήσεις του Planck για την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου στο πρώιμο σύμπαν. Με τα λόγια του Guido: «Το μοντέλο είναι αρκετά ενδιαφέρον επειδή μπορεί να επιλύσει δυο αινίγματα με μιας, όμως η απόφαση για αυτό είναι αναμφίβολα αρνητική ακόμη, θα πρέπει να ψάξουμε σε πολλά περισσότερα μοντέλα με μεγάλη λεπτομέρεια πριν μπορέσουμε να λύσουμε αυτό το κοσμικό αίνιγμα».

Η ομάδα περιμένει με ανυπομονησία να παρατηρήσει ακόμη περισσότερα quasars στο μέλλον για να βελτιώσει περαιτέρω τα αποτελέσματά της. Επιπλέον στοιχεία θα προέλθουν επίσης από την αποστολή Euclid της ESA, που σχεδιάζεται για το 2020, για να εξερευνήσει τα προηγούμενα 10 δισεκατομμύρια χρόνια της κοσμικής επέκτασης και να ερευνήσει τη φύση της σκοτεινής ενέργειας.