跨越120亿年！指向宇宙膨胀的新物理学
跨越120亿年！指向宇宙膨胀的新物理学博科园 科学科普
天文物理
2 days ago
通过对ESA的xmm -牛顿观测到大量遥远“活跃”星系样本进行研究，一个天文学家团队发现，宇宙早期的膨胀可能比宇宙学标准模型预测的要多。根据最主要的假设，我们宇宙只包含普通物质的百分之几。宇宙的四分之一是由难以捉摸的暗物质构成，我们可以通过引力感受到这些暗物质，但无法观察到。
其余的四分之一是由更为神秘的暗能量构成，这种暗能量推动着宇宙目前的膨胀速度。这个模型基于过去几十年收集的大量数据，从宇宙微波背景(CMB)到更多的“局部”观测。宇宙微波背景是宇宙历史上的第一束光，在宇宙大爆炸后38万年才释放出来，由欧洲航天局普朗克任务以前所未有的细节进行了观测。
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博科园-科学科普：后者包括超新星爆炸、星系团和暗物质在遥远星系上留下的引力畸变，可用于追溯宇宙历史上最近几个时代的宇宙膨胀——跨越过去90亿年。意大利费伦泽大学Guido Risaliti和英国杜伦大学的Elisabeta Lusso领导的一项新研究指出，另一种类型的宇宙追踪器（类星体）将填补这些观测之间的部分空白，测量120亿年前宇宙的膨胀。类星体是星系的核心，一个活跃的超大质量黑洞正以非常快的速度从其周围吸进物质，在电磁波谱中发出明亮的光芒。当物质落在黑洞上时，它会形成一个旋转的圆盘，在可见光和紫外光中辐射，这些光反过来加热附近的电子，产生x射线。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OOCfia0dzt0WUwiaJhTCUe4CUqDDR4W7TM2DGCMGibKIROOCGicoEy6giabcoj0FwVzI5sxLQoNzj8pP8bzIC5VyYzA/640?wx_fmt=jpeg这是类星体艺术概念图，类星体是星系的核心，一个活跃的超大质量黑洞正以非常快的速度从它周围的环境中吸收物质，它离我们的距离越来越远。图片：ESA ; NASA/ESA/Hubble (background galaxies); CC BY-SA 3.0 IGO
三年前Guido和Elisabeta意识到类星体的紫外线和x射线亮度之间一个众所周知的关系可以用来估计到这些源的距离（这在天文学上是出了名的棘手）并最终用来探索宇宙的膨胀历史。其性质允许我们测量其距离的天文光源被称为“标准蜡烛”。
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其中最引人注目的一种超新星被称为ia型超新星，它由白矮星的壮观消亡组成。白矮星吸收了来自伴星的物质后，会产生亮度可预测的爆炸，这使得天文学家能够确定距离。上世纪90年代末对这些超新星的观测揭示了宇宙在过去几十亿年间的加速膨胀。Elisabeta解释说：使用类星体作为标准蜡烛有很大的潜力，因为可以比ia型超新星离我们更远的距离观察它们，所以用它们来探测宇宙历史上更早的时代。有了大量类星体的样本在手，天文学家们现在已经将他们的方法付诸实践，结果很有趣。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OOCfia0dzt0WUwiaJhTCUe4CUqDDR4W7TMRiaAwrzqTUBmYfsTbW4LzLuP9oP673Tib6iazrBAE0a9DYMvZ2BPSicDTQ/640?wx_fmt=jpeg当物质落在黑洞上时，它会形成一个旋转的圆盘，在可见光和紫外光中辐射，这些光反过来加热附近的电子，产生x射线。图片：ESA–C. Carreau
通过挖掘XMM-Newton档案，收集了7000多个类星体的x射线数据，并将其与地面斯隆数字天空调查的紫外线观测结果结合起来。还使用了一组新的数据，这些数据是由XMM-Newton在2017年特别获得，用来观察非常遥远的类星体，就像宇宙只有大约20亿年的时候那样观察它们。最后，用少量甚至更远的类星体和一些相对较近的类星体来补充这些数据，这些类星体分别由NASA的钱德拉和斯威夫特x射线天文台观测到。如此大的样本使我们能够细致地研究类星体x射线和紫外线辐射之间的关系，这极大地改进了我们估算其距离的技术。xmm -牛顿对遥远类星体的新观测结果如此之好，以至于研究小组甚至发现了两种不同的类星体：https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OOCfia0dzt0WUwiaJhTCUe4CUqDDR4W7TMss23wHS6b6cp4gqUmdp16ZTd3w2ByskF8rLYyReELDSVvrqfYu0Xyw/640?wx_fmt=jpeg图中所示的距离测量值，可用于研究宇宙膨胀历史的天体，如ia型超新星(青色符号)和类星体(黄色、红色和蓝色符号)。
70%的类星体在低能量x射线中发出明亮光芒，而剩下的0%则发射出能量更高的少量x射线。为了进一步的分析，只保留了较早的一组光源，其中x射线与紫外辐射的关系显得更加清晰。欧洲航天局的XMM-Newton项目科学家诺伯特•沙特尔说：我们能够在距离我们如此遥远的光源中分辨出如此细微的细节，这是非常了不起的。
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这些光源的光在到达我们之前已经传播了100亿年了。在浏览了这些数据并将样本缩小到1600个类星体之后，天文学家们得到了最好的观测结果，从而得出了他们可以用来研究宇宙膨胀的距离的可靠估计。当我们把跨越近120亿年宇宙历史的类星体样本与只覆盖过去80亿年左右的ia型超新星局部样本结合起来，发现在重叠的时代中也有类似的结果。
博科园-科学科普｜研究/来自: 欧洲航天局参考期刊文献:《Nature Astronomy》DOI: 10.1038/s41550-018-0657-z
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