类星体成为测量宇宙膨胀用的最新标准烛光

天文学家分析欧洲太空总局(ESA)XMM-Newton 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状况。

根据现行较为学界接受的版本,宇宙的普通物质(ordinary matter)只占了很小一部分。约四分之一是由谜样的暗物质(dark matter)构成,只能通过重力交互作用得知它们的存在。剩下超过七成成分是更神秘,并促使宇宙加速膨胀的暗能量(dark energy)。

活跃星系用做测量标准的宇宙膨胀速度示意图。

这个宇宙模型是根据过去数十年收集的众多数据数据创建的,包含宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background,CMB),这是宇宙历史长河的第一道光,在大爆炸(big bang)后约380,000 年发布,ESA 的普朗克太空望远镜(Planck mission)曾非常详细观测CMB 在局部宇宙的分布概况。而后,天文学家还通过观测超新星爆炸、星系团和因遥远星系暗物质造成的重力扭曲等,关注跨越过去 90 亿年“近期”宇宙历史的宇宙膨胀情形。

意大利佛罗伦萨大学(Università di Firenze)Guido Risaliti 和英国杜伦大学(Durham University)Elisabeta Lusso 等人最新研究指出:通过另一个“宇宙示踪物”(cosmic tracer)──类星体(quasar)──来填补一部分各种观测间的空隙,使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释放出大量能量的结果,所以整个电磁波谱非常明亮。当物质落往黑洞时,会在黑洞周边形成一个旋转盘面结构,称为“吸积盘”(acretion disk),此过程会发射出可见光和紫外光,而这些光会加热邻近的电子进而产生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 光的亮度关联性,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”(standard candle)。近年最醒目的标准烛光就是Ia 型超新星(type-Ia supernova),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上限,因此天文学家认为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(distance modulus)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。

Ia 型超新星和类星体应用在宇宙膨胀研究的结果。横轴代表宇宙年龄,以红移(Z,redshift)表示;纵轴为距离,以距离模数表示。蓝绿点为 Ia 超新星观测数据,灰点为类星体观测数据,红点为红移近似的类星体的平均数据。从图中可见,类星体的距离测量不若 Ia 型超新星精准,但可测量的宇宙年龄范围却远大于 Ia 型超新星。 (Source:Risaliti & Lusso, Astrophysical Journal, Volume 815, 2015)

这些天文学家认为将类星体当作标准烛光,在宇宙膨胀相关研究有很大潜力,因为它们够亮,即便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,可探测到更早之前的宇宙状况。因此他们积极从各观测数据库挖掘所需数据,将理论化为实践,好在结果相当喜人。从 XMM-Newton 太空望远镜数据库累积多年的 7 千多笔类星体 X 光数据,再与地面望远镜进行的史隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey,SDSS)紫外光数据结合后,再分析研究。另外还加入新观测数据,尤其是从 XMM-Newton 在 2017 年观测后搜索那些距离非常远、约相当于宇宙年龄仅约 20 亿年内的类星体。最后,再从NASA 的钱德拉(Chandra)和雨燕(Swift)两座X 射线太空望远镜观测数据补充一些更远的和相当近的类星体,让数据样本更完整,如此一来便提高研究结果的可信度。