Wetenschappers hebben de kleine vervormingen gebruikt die op de kosmische microgolfachtergrond zijn gedrukt door de zwaartekracht van materie in het hele universum, opgenomen door ESA's Planck-satelliet, om het verband te ontdekken tussen de helderheid van quasars - de heldere kernen van actieve sterrenstelsels - en de massa van de veel grotere 'halo's' van donkere materie waarin ze zich bevinden. Het resultaat is een belangrijke bevestiging voor ons begrip van hoe sterrenstelsels evolueren in de kosmische geschiedenis.

Van de meeste sterrenstelsels in het heelal is bekend dat ze superzware zwarte gaten bevatten, met massa's van miljoenen tot miljarden keren de massa van de zon, in hun kern. De meeste van deze kosmische monsters zijn 'slapend', met weinig of geen activiteit in de buurt, maar ongeveer één procent wordt geclassificeerd als 'actief', materie uit hun omgeving met zeer intense snelheden aanwast. Dit accretieproces zorgt ervoor dat materiaal in de buurt van het zwarte gat helder over het elektromagnetische spectrum schijnt, het maken van deze actieve sterrenstelsels, of quasars, enkele van de helderste bronnen in de kosmos.

Hoewel het nog steeds onduidelijk is wat deze zwarte gaten activeert, hun fase van intense accretie in- en uitschakelen, het is waarschijnlijk dat quasars een belangrijke rol spelen bij het reguleren van de evolutie van sterrenstelsels in de kosmische geschiedenis. Om deze reden, het is cruciaal om de relatie tussen quasars te begrijpen, hun gastheerstelsels, en hun omgeving op nog grotere schaal.

In een recente studie onder leiding van James Geach van de Universiteit van Hertfordshire, VK, wetenschappers hebben gegevens van ESA's Planck-missie gecombineerd met het grootste onderzoek naar quasars dat tot nu toe beschikbaar is om licht te werpen op dit fascinerende onderwerp.

Volgens het leidende scenario van structuurvorming in het universum, sterrenstelsels krijgen vorm uit gewone materie in de dichtste knopen van het kosmische web - een draadvormig netwerk, voornamelijk bestaat uit de onzichtbare donkere materie, die de kosmos doordringt. Beurtelings, de complexe verdeling van zowel gewone als donkere materie komt voort uit kleine fluctuaties in het oeruniversum, die een afdruk achterlaten in de kosmische microgolfachtergrond (CMB), het oudste licht in de geschiedenis van het heelal.

De Planck-satelliet heeft tussen 2009 en 2013 de lucht gescand om de meest nauwkeurige kaart van de hele hemel van de CMB te maken, wetenschappers in staat stellen onze kennis van de tijd te verfijnen, uitbreiding, geschiedenis, en inhoud van het universum tot ongekende nauwkeurigheidsniveaus.

En er is meer:​​zoals voorspeld door de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, massieve objecten buigen het weefsel van ruimtetijd om hen heen, het pad vervormen van alles - zelfs licht - dat in de buurt passeert. Dit fenomeen, bekend als zwaartekrachtlensing, heeft ook invloed op Plancks metingen van de CMB, die een afdruk dragen van de grootschalige verspreiding van materie die het oudste kosmische licht tegenkwam op zijn weg naar de satelliet.

"We weten dat sterrenstelsels zich vormen en evolueren binnen een onzichtbare 'steiger' van donkere materie die we niet direct kunnen waarnemen, maar we kunnen de zwaartekrachtlensvervormingen die op de kosmische microgolfachtergrond zijn afgedrukt, gebruiken om meer te weten te komen over de structuren van donkere materie rond sterrenstelsels, ', zegt James Geach.

Zwaartekrachtlensvervormingen van de CMB zijn klein, het herschikken van de CMB-hemelafbeelding op schalen van ongeveer 10 boogminuten - wat overeenkomt met slechts een derde van de diameter van de volle maan. Maar veel kleine afwijkingen van de andere kant van de lucht kunnen worden gecombineerd, met behulp van statistische methoden, om een ​​sterker signaal te krijgen, het opstapelen van de gegevens die zijn verzameld rond vele quasars.

In hun onderzoek hebben Geach en collega's analyseerden de nieuwste zwaartekrachtlenskaart verkregen door het Planck-team, openbaar gemaakt als onderdeel van de Planck Legacy Release in 2018, in combinatie met 200 000 quasars uit de grootste steekproef ooit samengesteld, de meer dan een half miljoen quasars waaruit Data Release 14 van de quasarcatalogus van Sloan Digital Sky Survey bestaat.

"Door de Planck-gegevens te combineren met zo'n grote steekproef van quasars, we kunnen de massa meten van de halo's van donkere materie waarin de quasar-gaststelsels zijn ingebed, en onderzoeken hoe dit varieert voor quasars van verschillende helderheid, ' zegt Gea.

De analyse laat doorschemeren dat hoe helderder een quasar is, hoe massiever zijn halo van donkere materie.

"Dit is overtuigend bewijs dat er een correlatie bestaat tussen de helderheid van een quasar, energie die vrijkomt in de onmiddellijke nabijheid van een superzwaar zwart gat - een gebied dat misschien een paar lichtdagen beslaat - en de massa van de omringende halo van donkere materie en de omringende omgeving, die zich over tientallen miljoenen lichtjaren rond de quasar uitstrekt, ' legt Geach uit.

"We gebruiken de kosmische microgolfachtergrond als een soort 'achtergrondverlichting' voor het universum. Die achtergrondverlichting is door zwaartekracht gelensd door voorgrondmaterie, en dus door sterrenstelsels te correleren met de Planck-lenskaart, we hebben een nieuwe manier om sterrenstelsels en hun evolutie te bestuderen."

De bevinding ondersteunt theoretische modellen van quasarvorming, die een correlatie voorspellen tussen quasar-helderheid en halo-massa, in het bijzonder voor de meest lichtgevende quasars, waar de zwarte gaten materie aangroeien in de buurt van de maximale snelheid.

De studie richtte zich op verre quasars die worden waargenomen zoals ze waren toen het universum ongeveer vier miljard jaar oud was - ongeveer een derde van de huidige leeftijd van bijna 14 miljard jaar. Dit is dicht bij het hoogtepunt van de groei van superzware zwarte gaten. In combinatie met diepere quasar-onderzoeken in de toekomst, de Planck-gegevens zouden wetenschappers in staat kunnen stellen deze onderzoeken naar nog vroegere tijden in de kosmische geschiedenis te verplaatsen, tot het tijdperk waarin de eerste quasars werden gevormd.

"Dit resultaat toont de kracht van Plancks zwaartekrachtlensmetingen, waarmee we de onzichtbare structuren van donkere materie kunnen meten waarin sterrenstelsels zich vormen en evolueren, " zegt Jan Tauber, Planck-projectwetenschapper bij ESA.

"De erfenis van Planck is behoorlijk verbazingwekkend, met data die worden gebruikt voor een veel breder scala aan wetenschappelijke toepassingen dan oorspronkelijk bedoeld."

"De halo-massa van optisch lichtgevende quasars op z ~ 1-2 gemeten via zwaartekrachtafbuiging van de kosmische microgolfachtergrond" door JE Geach et al. is gepubliceerd in Het astrofysische tijdschrift , Jaargang 874, Nummer 1.