Skanna himlen efter röntgenkällor, ESA:s röntgenobservatorium XMM-Newton har haft fullt upp med XXL-undersökningen, sitt största observationsprogram hittills. Den andra omgången data från undersökningen har just släppts, inklusive information om 365 galaxkluster, som spårar universums storstruktur och dess utveckling genom tiden, och på 26 000 aktiva galaktiska kärnor (AGN).

Genom att undersöka två stora delar av himlen med stor känslighet, detta är den första röntgenundersökningen för att upptäcka tillräckligt många galaxkluster och AGN i sammanhängande rymdmängder för att göra det möjligt för forskare att kartlägga fördelningen av dessa objekt till det avlägsna universum i en aldrig tidigare skådad detalj. Resultaten är förenliga med förväntningarna från den för närvarande accepterade kosmologiska modellen.

Röntgenstrålar produceras i några av de mest energiska processerna i universum, men eftersom de blockeras av jordens atmosfär, de kan bara observeras från rymden. När röntgenteleskop observerar det extragalaktiska universum, de ser i princip två källor:den heta gasen som genomsyrar galaxgrupper, och Active Galactic Nuclei (AGN) - ljusa, kompakta områden i mitten av några galaxer där ett supermassivt svart hål ackumulerar den omgivande materien.

ESA:s XMM-Newton är ett av de mest kraftfulla röntgenteleskopen som någonsin placerats i omloppsbana. Under de senaste åtta åren har den har lagt 2000 timmar på att mäta röntgenstrålning som en del av XXL-undersökningen, som sökte efter galaxkluster och AGN genom att skanna två områden med till synes tom himmel som var och en mäter 25 kvadratgrader (som referens, fullmånen mäter ungefär en halv grad).

Den första uppsättningen XXL -data släpptes 2015; den inkluderade 100 av de ljusaste galaxklassen och 1000 AGN. Den här månaden, publicerades en ny datakatalog med häpnadsväckande 365 kluster och 26 000 AGN. De första resultaten som använder dessa data publiceras i ett specialnummer av Astronomi och astrofysik .

Undersökningen kartlade röntgenkluster så avlägsna att ljuset lämnade dem när universum bara var hälften av sin nuvarande ålder, och AGN som är ännu längre bort. Några av de observerade källorna är så långt borta att XMM-Newton inte fick mer än 50 röntgenfoton från dem, vilket gör det utmanande att berätta om de är kluster eller AGN.

"Det var relativt enkelt att hitta galaxkluster och AGN, eftersom de är de enda extragalaktiska föremålen som syns i röntgenljus, "förklarar Marguerite Pierre från CEA Saclay, Frankrike.

"Men vi var tvungna att använda flera andra teleskop som samlar in ljus vid många olika våglängder, liksom omfattande datoranläggningar, att samla mer information om varje källa, inklusive att fästa deras natur och avstånd. "

Materia i universum är inte jämnt fördelat utan bildar en kosmisk filamentväv formad av gravitation, med galaxkluster som finns vid deras korsningar. Galaxkluster är de största bundna enheterna i universum-de spårar topparna med högsta densitet i dess storskaliga struktur, vilket gör dem till ett kraftfullt verktyg för att besvara frågor om kosmologi.

Universums struktur och utveckling beskrivs av en uppsättning kosmologiska parametrar, som inkluderar densiteten hos dess olika komponenter och hastigheten som den expanderar. För närvarande, vi känner värdet av många av dessa parametrar ganska väl, men stora prover av kosmiska spårämnen på olika avstånd krävs för att mer exakt beskriva universums underliggande struktur. Det slutliga målet med XXL -undersökningen är att tillhandahålla en omfattande, väl karakteriserad katalog över kluster som kan användas för att begränsa de kosmologiska parametrarna.

ESA:s Planck -satellit bestämde värden för kosmologiska parametrar genom att studera den kosmiska mikrovågsbakgrunden, som är information från det mycket tidiga universum. Efter att ha uppskattat dessa parametrar med hjälp av de senaste uppgifterna från XXL -undersökningen - som är baserad på information från det nyare universum - jämförde forskare sina fynd mot Planck -värdena.

"Även om vi inte hittade så många galaxkluster som förutspåddes av den kosmologiska modellen Planck, vi erhöll en distribution av kluster och AGN som är kompatibel med den för närvarande gynnade kosmologiska modellen, som tillgriper Einsteins kosmologiska konstant som en förklaring till universums accelererade expansion, snarare än att åberopa ännu mer exotiska möjligheter, "förklarar Marguerite Pierre.

"Vi kan redan förbättra Planck -uppskattningen för den kosmologiska konstanten, även om vår analys endast har utförts på hälften av XXL -klusterprovet; Vi kommer att tillbringa de närmaste åren att analysera resten av data i syfte att förfina de kosmologiska begränsningarna. "

Det är svårare att uppskatta värden för de kosmologiska parametrarna med AGN, eftersom deras egenskaper påverkas av många yttre påverkan. Forskare har istället använt AGN -data från XXL -undersökningen för att förstå mer om hur svarta hål bildas och utvecklas.

Tack vare XXL, detta är första gången som forskare har kunnat mäta den tredimensionella grupperingseffekten av avlägsna röntgenkluster och AGN på mycket stora skalor. De kan nu äntligen se var AGN finns inom den storskaliga strukturen i universum som indikeras av galaxhopen.

Resultaten bekräftar att XMM-Newton är en kraftfull undersökningsmaskin. De banar också väg för den slutliga kosmologiska analysen av denna undersökning, som kommer att ge oberoende begränsningar för de kosmologiska parametrarna för att avslöja fler mysterier i universum.

Den kosmiska banan kommer att undersökas ytterligare av ESA:s framtida Euclid -satellit, som kommer att observera ljus som sändes upp för 10 miljarder år sedan. Euklid kommer att se ett stort antal källor, eftersom det kommer att upptäcka optiskt och infrarött ljus; med sitt stora undersökta område och rika täckning med flera våglängder, XXL -data kommer att tjäna som referens för dessa observationer.

Observationer av XMM-Newton har också väckt nya frågor om galaxklusterens fysik, som kommer att undersökas mer ingående av ESA:s nästa röntgenuppdrag, Athena. På grund av lansering 2031, Athena kommer att vara mycket känsligare än sin föregångare. Medan XMM-Newton kan observera kluster på olika avstånd från oss, undersöker olika epoker i universums historia, Athena kommer att observera kluster så avlägsna att deras ljus lämnade dem när de bildades, berätta ännu mer om hur dessa gigantiska strukturer tar form och utvecklas.

Sålänge, forskare i XXL -samarbetet planerar att bearbeta de återstående observationerna och granska data med hjälp av förbättrade behandlingstekniker. Den sista XXL-dataframgivningen som innehåller ännu fler röntgenkällor, liksom den fullständiga kosmologiska analysen, är planerad för 2021.

"Det är mycket spännande att data från detta rymdteleskop bidrar till vår förståelse av universums utveckling, "avslutar Norbert Schartel, XMM-Newton Project Scientist på ESA. "Detta möjliggjordes tack vare samarbetet mellan ett stort antal institutioner i många olika länder."