Forskare har använt de små förvrängningar som präglas av den kosmiska mikrovågsbakgrunden av materiens gravitation i hela universum, inspelad av ESA:s Planck-satellit, för att avslöja sambandet mellan ljusstyrkan hos kvasarer – de ljusa kärnorna i aktiva galaxer – och massan av de mycket större "halos" av mörk materia där de sitter. Resultatet är en viktig bekräftelse för vår förståelse av hur galaxer utvecklas över kosmisk historia.

De flesta galaxer i universum är kända för att ha supermassiva svarta hål, med massor av miljoner till miljarder gånger solens massa, i deras kärnor. Majoriteten av dessa kosmiska monster är "vilande", med liten eller ingen aktivitet i närheten av dem, men ungefär en procent klassificeras som "aktiva", ansamling av materia från sin omgivning i mycket intensiva hastigheter. Denna ansamlingsprocess gör att material i det svarta hålets närhet lyser starkt över det elektromagnetiska spektrumet, gör dessa aktiva galaxer, eller kvasarer, några av de ljusaste källorna i kosmos.

Även om det fortfarande är oklart vad som aktiverar dessa svarta hål, slå på och av deras fas av intensiv ackretion, det är troligt att kvasarer spelar en viktig roll för att reglera utvecklingen av galaxer över kosmisk historia. Av denna anledning, det är avgörande att förstå förhållandet mellan kvasarer, deras värdgalaxer, och deras miljö i ännu större skala.

I en nyligen genomförd studie ledd av James Geach vid University of Hertfordshire, STORBRITANNIEN, forskare har kombinerat data från ESA:s Planck-uppdrag med den hittills största undersökningen av kvasarer för att belysa detta fascinerande ämne.

Enligt det ledande scenariot för strukturbildning i universum, galaxer tar form utöver det vanliga i de tätaste knutarna av det kosmiska nätet – ett filamentnät, består huvudsakligen av den osynliga mörka materien, som genomsyrar kosmos. I tur och ordning, den komplexa fördelningen av både vanlig och mörk materia härrör från små fluktuationer i det ursprungliga universum, som lämnar ett avtryck i den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), det äldsta ljuset i universums historia.

Planck-satelliten har skannat himlen mellan 2009 och 2013 för att skapa den mest exakta all-sky-kartan över CMB, gör det möjligt för forskare att förfina vår kunskap om tidsåldern, expansion, historia, och universums innehåll till oöverträffade nivåer av noggrannhet.

Och det finns mer:som förutspåtts av Albert Einsteins allmänna relativitetsteori, massiva föremål böjer rymdtidens tyg runt dem, förvränger vägen för allt – även ljus – som passerar i närheten. Detta fenomen, känd som gravitationslinser, påverkar även Plancks mätningar av CMB, som bär ett avtryck av den storskaliga distributionen av materia som det äldsta kosmiska ljuset mötte på vägen till satelliten.

"Vi vet att galaxer bildas och utvecklas inom en osynlig "byggnadsställning" av mörk materia som vi inte direkt kan observera, men vi kan utnyttja de gravitationslinsförvrängningar som är inpräntade på den kosmiska mikrovågsbakgrunden för att lära oss om strukturerna i mörk materia runt galaxer, säger James Geach.

Gravitationslinsförvrängningar av CMB är små, omarrangera CMB-himmelbilden på skalor av cirka 10 bågminuter – motsvarande bara en tredjedel av fullmånens diameter. Men många små avböjningar från hela himlen kan kombineras, med hjälp av statistiska metoder, för att få en starkare signal, samlar upp data som samlats in kring många kvasarer.

I sin forskning, Geach och kollegor analyserade den senaste gravitationslinskartan som erhållits av Planck-teamet, offentliggjordes som en del av Planck Legacy Release 2018, i kombination med 200 000 kvasarer från det största urvalet som någonsin sammanställts, de mer än en halv miljon kvasarer som utgör Data Release 14 i kvasarkatalogen Sloan Digital Sky Survey.

"Genom att kombinera Planck-data med ett så stort urval av kvasarer, vi skulle kunna mäta massan av de mörka materiens halos i vilka kvasarvärdgalaxerna är inbäddade, och undersöka hur detta varierar för kvasarer med olika ljusstyrka, säger Geach.

Analysen antyder att ju mer lysande en kvasar är, desto mer massiv är dess halo av mörk materia.

"Detta är övertygande bevis på att det finns en korrelation mellan ljusstyrkan hos en kvasar, energi som frigörs i omedelbar närhet av ett supermassivt svart hål – ett område som kanske sträcker sig över några ljusa dagar – och massan av den omslutande gloria av mörk materia och omgivande miljö, som sträcker sig i tiotals miljoner ljusår runt kvasaren, " förklarar Geach.

"Vi använder den kosmiska mikrovågsbakgrunden som ett slags "bakgrundsbelysning" för universum. Det bakgrundsbelysningen har gravitationslinser av förgrundsmateria, och så genom att korrelera galaxer med Planck-linskartan, vi har ett nytt sätt att studera galaxer och deras utveckling."

Fyndet stöder teoretiska modeller för kvasarbildning, som förutsäger en korrelation mellan kvasarljusstyrka och halomassa, särskilt för de mest lysande kvasarerna, där de svarta hålen ansamlar materia nära den maximala hastigheten.

Studien fokuserade på avlägsna kvasarer som observeras som de var när universum var cirka fyra miljarder år gammalt – ungefär en tredjedel av dess nuvarande ålder på nästan 14 miljarder år. Detta är nära toppen av supermassiv tillväxt av svarta hål. I kombination med djupare kvasarundersökningar i framtiden, Planck-data skulle kunna göra det möjligt för forskare att driva dessa undersökningar till ännu tidigare tider i kosmisk historia, fram till den epok då de första kvasarerna bildades.

"Detta resultat visar kraften i Plancks gravitationslinsmätningar, som gör det möjligt för oss att mäta de osynliga strukturerna av mörk materia där galaxer bildas och utvecklas, säger Jan Tauber, Planck-projektforskare vid ESA.

"Arvet från Planck är ganska häpnadsväckande, med data som används för ett mycket bredare spektrum av vetenskapliga tillämpningar än vad som ursprungligen var tänkt för."

"Halomassan av optiskt lysande kvasarer vid z~1–2 mätt via gravitationsavböjning av den kosmiska mikrovågsbakgrunden" av J. E. Geach et al. publiceras i The Astrophysical Journal , Volym 874, Nummer ett.