De lucht scannen op röntgenbronnen, ESA's XMM-Newton röntgenobservatorium is druk bezig geweest met de XXL Survey, zijn grootste observatieprogramma tot nu toe. De tweede reeks gegevens van de enquête is zojuist vrijgegeven, inclusief informatie over 365 clusters van sterrenstelsels, die de grootschalige structuur van het heelal en zijn evolutie door de tijd volgen, en op 26 000 actieve galactische kernen (AGN).

Door twee grote delen van de hemel met grote gevoeligheid te onderzoeken, dit is het eerste röntgenonderzoek dat voldoende clusters van sterrenstelsels en AGN in aangrenzende volumes van de ruimte detecteert om het voor wetenschappers mogelijk te maken om de verspreiding van deze objecten naar het verre heelal in ongekend detail in kaart te brengen. De resultaten zijn compatibel met de verwachtingen van het momenteel geaccepteerde kosmologische model.

Röntgenstraling wordt geproduceerd in enkele van de meest energetische processen in het heelal, maar omdat ze worden geblokkeerd door de atmosfeer van de aarde, ze kunnen alleen vanuit de ruimte worden waargenomen. Wanneer röntgentelescopen het extragalactische heelal observeren, ze zien in feite twee bronnen:het hete gas dat clusters van sterrenstelsels doordringt, en actieve galactische kernen (AGN) - helder, compacte gebieden in de centra van sommige sterrenstelsels waar een superzwaar zwart gat de omringende materie aangroeit.

ESA's XMM-Newton is een van de krachtigste röntgentelescopen die ooit in een baan om de aarde is gebracht. In de afgelopen acht jaar, het heeft 2000 uur besteed aan het meten van röntgenstraling als onderdeel van de XXL-enquête, die naar clusters van sterrenstelsels en AGN zocht door twee gebieden van schijnbaar lege lucht te scannen die elk 25 vierkante graden meten (als referentie, de volle maan meet ongeveer een halve graad).

De eerste set XXL-gegevens werd uitgebracht in 2015; het omvatte 100 van de helderste clusters van sterrenstelsels en 1000 AGN. Deze maand, er werd een nieuwe datacatalogus gepubliceerd met maar liefst 365 clusters en 26 000 AGN. De eerste resultaten met behulp van deze gegevens worden gepubliceerd in een speciale uitgave van Astronomie en astrofysica .

Het onderzoek bracht röntgenclusters in kaart die zo ver weg waren dat het licht ze verliet toen het heelal nog maar de helft van zijn huidige leeftijd had. en AGN die nog verder weg zijn. Sommige van de waargenomen bronnen zijn zo ver verwijderd dat XMM-Newton er niet meer dan 50 röntgenfotonen van ontving, waardoor het een uitdaging is om te bepalen of het clusters of AGN zijn.

"Het was relatief eenvoudig om clusters van sterrenstelsels en AGN te vinden, omdat ze de enige extragalactische objecten zijn die zichtbaar zijn in röntgenlicht, " legt Marguerite Pierre van CEA Saclay uit, Frankrijk.

"Maar we moesten verschillende andere telescopen gebruiken om licht op veel verschillende golflengten te verzamelen, evenals uitgebreide computerfaciliteiten, om meer informatie over elke bron te verzamelen, inclusief het vastpinnen van hun aard en afstand."

Materie in het heelal is niet gelijkmatig verdeeld, maar vormt een kosmisch web van filamenten gevormd door de zwaartekracht, met clusters van sterrenstelsels gevonden op hun kruispunten. Melkwegclusters zijn de grootste gebonden entiteiten in het heelal - ze volgen de hoogste dichtheidspieken in zijn grootschalige structuur, waardoor ze een krachtig hulpmiddel zijn voor het beantwoorden van vragen over kosmologie.

De structuur en evolutie van het heelal wordt beschreven door een reeks kosmologische parameters, waaronder de dichtheid van de verschillende componenten en de snelheid waarmee het uitbreidt. Momenteel, we kennen de waarde van veel van deze parameters redelijk goed, maar er zijn grote monsters van kosmische tracers op verschillende afstanden nodig om de onderliggende structuur van het heelal nauwkeuriger te beschrijven. Het uiteindelijke doel van de XXL Survey is om een ​​uitgebreide, goed gekarakteriseerde catalogus van clusters die kunnen worden gebruikt om de kosmologische parameters te beperken.

ESA's Planck-satelliet bepaalde waarden voor kosmologische parameters door de kosmische microgolfachtergrond te bestuderen, dat is informatie uit het zeer vroege heelal. Na het schatten van deze parameters met behulp van de nieuwste gegevens van de XXL-enquête - die is gebaseerd op informatie uit het recentere heelal - vergeleken wetenschappers hun bevindingen met de Planck-waarden.

"Hoewel we niet zoveel clusters van sterrenstelsels hebben gevonden als voorspeld door het kosmologische model van Planck, we hebben een verdeling van clusters en AGN verkregen die compatibel is met het momenteel favoriete kosmologische model, die zijn toevlucht neemt tot de kosmologische constante van Einstein als verklaring voor de versnelde uitdijing van het heelal, in plaats van een beroep te doen op nog meer exotische mogelijkheden, " legt Marguerite Pierre uit.

"We kunnen de Planck-schatting voor de kosmologische constante al verbeteren, ook al is onze analyse maar op de helft van het XXL-clustermonster uitgevoerd; we zullen de komende jaren besteden aan het analyseren van de rest van de gegevens met als doel de kosmologische beperkingen te verfijnen."

Het is moeilijker om waarden voor de kosmologische parameters te schatten met behulp van AGN, omdat hun eigenschappen worden beïnvloed door veel externe invloeden. Wetenschappers hebben in plaats daarvan de AGN-gegevens van de XXL Survey gebruikt om meer te begrijpen over hoe zwarte gaten ontstaan ​​en evolueren.

Dankzij XXL, dit is de eerste keer dat wetenschappers het driedimensionale clustering-effect van verre röntgenclusters en AGN op zeer grote schaal hebben kunnen meten. Ze kunnen nu eindelijk zien waar de AGN zich bevinden binnen de grootschalige structuur van het heelal die wordt aangegeven door de clusters van sterrenstelsels.

De resultaten bevestigen dat XMM-Newton een krachtige meetmachine is. Ze effenen ook de weg voor de uiteindelijke kosmologische analyse van dit onderzoek, die onafhankelijke beperkingen op de kosmologische parameters zal bieden om meer mysteries van het heelal te ontrafelen.

Het kosmische web zal verder worden onderzocht door ESA's toekomstige Euclid-satelliet, die licht zal waarnemen dat tot 10 miljard jaar geleden werd uitgezonden. Euclid zal een groot aantal bronnen zien, omdat het optisch en infrarood licht zal detecteren; met zijn grote onderzochte gebied en rijke dekking op meerdere golflengten, de XXL-gegevens zullen als referentie dienen voor deze waarnemingen.

Waarnemingen door XMM-Newton hebben ook nieuwe vragen doen rijzen over de fysica van clusters van sterrenstelsels, die in meer detail zal worden onderzocht door ESA's volgende röntgenmissie, Athene. Vanwege de lancering in 2031, Athena zal veel gevoeliger zijn dan zijn voorganger. Hoewel XMM-Newton clusters op verschillende afstanden van ons kan waarnemen, verschillende tijdperken in de geschiedenis van het heelal onderzoeken, Athena zal clusters observeren die zo ver weg zijn dat hun licht hen verliet terwijl ze zich vormden, ons nog meer vertellen over de manier waarop deze gigantische structuren vorm krijgen en evolueren.

Ondertussen, wetenschappers in het XXL-samenwerkingsplan om de resterende waarnemingen te verwerken en gegevens te beoordelen met behulp van verbeterde verwerkingstechnieken. De laatste XXL-gegevensrelease met nog meer röntgenbronnen, evenals de volledige kosmologische analyse, is voorzien voor 2021.

"Het is heel opwindend dat gegevens van deze ruimtetelescoop bijdragen aan ons begrip van de evolutie van het heelal, " concludeert Norbert Schartel, XMM-Newton Project Scientist bij ESA. "Dit is mogelijk gemaakt dankzij de samenwerking tussen een groot aantal instellingen in veel verschillende landen."