Undersöker historien om vårt kosmos med ett stort urval av avlägsna "aktiva" galaxer observerade av ESA:s XMM-Newton, ett team av astronomer fann att det kan ligga mer bakom universums tidiga expansion än vad som förutspåtts av standardmodellen för kosmologi.

Enligt det ledande scenariot, vårt universum innehåller bara några få procent av vanlig materia. En fjärdedel av kosmos består av den svårfångade mörka materien, som vi kan känna gravitationsmässigt men inte observera, och resten består av den ännu mer mystiska mörka energin som driver den nuvarande accelerationen av universums expansion.

Denna modell är baserad på en mängd data som samlats in under de senaste decennierna, från den kosmiska mikrovågsbakgrunden, eller CMB – det första ljuset i kosmos historia, släppt endast 380, 000 år efter big bang och observerade i oöverträffad detalj av ESA:s Planck-uppdrag – till mer "lokala" observationer. De senare inkluderar supernovaexplosioner, galaxhopar och gravitationsförvrängningen präglad av mörk materia på avlägsna galaxer, och kan användas för att spåra kosmisk expansion under de senaste epoker av kosmisk historia – över de senaste nio miljarder åren.

En ny studie, ledd av Guido Risaliti från Università di Firenze, Italien, och Elisabeta Lusso från Durham University, STORBRITANNIEN, pekar på en annan typ av kosmiska spårämnen – kvasarer – som skulle fylla en del av gapet mellan dessa observationer, mäter universums expansion för upp till 12 miljarder år sedan.

Kvasarer är kärnorna i galaxer där ett aktivt supermassivt svart hål drar in materia från sin omgivning i mycket intensiva hastigheter, lyser starkt över det elektromagnetiska spektrumet. När material faller ner i det svarta hålet, den bildar en virvlande skiva som strålar i synligt och ultraviolett ljus; detta ljus, i tur och ordning, värmer upp närliggande elektroner, genererar röntgenstrålar.

Tre år sedan, Guido och Elisabeta insåg att ett välkänt samband mellan ultraviolett och röntgenljusstyrka hos kvasarer kunde användas för att uppskatta avståndet till dessa källor – något som är notoriskt knepigt inom astronomi – och, i sista hand, att undersöka universums expansionshistoria.

Astronomiska källor vars egenskaper tillåter oss att mäta deras avstånd kallas "standardljus".

Den mest anmärkningsvärda klassen, känd som 'typ-Ia' supernova, består av den spektakulära döden av vita dvärgstjärnor efter att de har överfyllts på material från en sällskapsstjärna, genererar explosioner av förutsägbar ljusstyrka som gör det möjligt för astronomer att fastställa avståndet. Observationer av dessa supernovor i slutet av 1990-talet avslöjade universums accelererade expansion under de senaste miljarderna åren.

"Att använda kvasarer som standardljus har stor potential, eftersom vi kan observera dem på mycket större avstånd från oss än supernovor av typ Ia, och så använd dem för att undersöka mycket tidigare epoker i kosmos historia, " förklarar Elisabeta.

Med ett stort urval av kvasarer till hands, astronomerna har nu satt sin metod i praktik, och resultaten är spännande.

Gräver i XMM-Newtons arkiv, de samlade in röntgendata för över 7000 kvasarer, kombinerar dem med ultravioletta observationer från den markbaserade Sloan Digital Sky Survey. De använde också en ny uppsättning data, speciellt erhållen med XMM-Newton 2017 för att titta på mycket avlägsna kvasarer, observera dem som de var när universum bara var cirka två miljarder år gammalt. Till sist, de kompletterade uppgifterna med ett litet antal ännu mer avlägsna kvasarer och med några relativt närliggande, observerade med NASA:s Chandra och Swift röntgenobservatorier, respektive.

"Ett så stort prov gjorde det möjligt för oss att granska sambandet mellan röntgenstrålning och ultraviolett emission av kvasarer i noggrann detalj, vilket avsevärt förfinade vår teknik för att uppskatta deras avstånd, säger Guido.

De nya XMM-Newton-observationerna av avlägsna kvasarer är så bra att teamet till och med identifierade två olika grupper:70 procent av källorna lyser starkt i lågenergiröntgenstrålar, medan de återstående 30 procenten avger lägre mängder röntgenstrålar som kännetecknas av högre energier. För vidare analys, de behöll bara den tidigare gruppen av källor, där sambandet mellan röntgenstrålning och ultraviolett strålning verkar tydligare.

"Det är ganska anmärkningsvärt att vi kan urskilja en sådan detaljnivå i källor så långt från oss att deras ljus har färdats i mer än tio miljarder år innan det når oss, säger Norbert Schartel, XMM-Newton-projektforskare vid ESA.

Efter att ha skummat igenom data och fått ner provet till cirka 1600 kvasarer, astronomerna lämnades med de allra bästa observationerna, vilket leder till robusta uppskattningar av avståndet till dessa källor som de kan använda för att undersöka universums expansion.

"När vi kombinerar kvasarprovet, som sträcker sig över nästan 12 miljarder år av kosmisk historia, med det mer lokala provet av typ Ia supernovor, som bara täcker de senaste åtta miljarder åren eller så, vi finner liknande resultat i de överlappande epokerna, säger Elisabeta.

"Dock, i de tidigare faserna som vi bara kan undersöka med kvasarer, vi finner en diskrepans mellan den observerade utvecklingen av universum och vad vi skulle förutsäga baserat på den vanliga kosmologiska modellen."

Att titta in i denna tidigare dåligt utforskade period av kosmisk historia med hjälp av kvasarer, astronomerna har avslöjat en möjlig spänning i standardmodellen för kosmologi, vilket kan kräva tillägg av extra parametrar för att stämma av data med teori.

"En av de möjliga lösningarna skulle vara att åberopa en föränderlig mörk energi, med en täthet som ökar med tiden, säger Guido.

Tillfälligtvis, den här modellen skulle också lindra en annan spänning som har hållit kosmologer sysselsatta på sistone, angående Hubble-konstanten – den nuvarande kosmiska expansionshastigheten. Denna diskrepans hittades mellan uppskattningar av Hubble-konstanten i lokaluniversum, baserat på supernovadata – och, oberoende av, på galaxhopar – och de som baseras på Plancks observationer av den kosmiska mikrovågsbakgrunden i det tidiga universum.

"Den här modellen är ganska intressant eftersom den kan lösa två pussel samtidigt, men juryn är definitivt inte ute än och vi måste titta på många fler modeller i detalj innan vi kan lösa denna kosmiska gåta, " tillägger Guido.

Teamet ser fram emot att observera ännu fler kvasarer i framtiden för att ytterligare förfina sina resultat. Ytterligare ledtrådar kommer också från ESA:s Euclid-uppdrag, planerad till en lansering 2022 för att utforska de senaste tio miljarder åren av kosmisk expansion och undersöka naturen av mörk energi.

"Det här är intressanta tider att undersöka historien om vårt universum, och det är spännande att XMM-Newton kan bidra genom att titta på en kosmisk epok som hittills i stort sett varit outforskad, avslutar Norbert.