Onderzoek naar de geschiedenis van onze kosmos met een grote steekproef van verre 'actieve' sterrenstelsels waargenomen door ESA's XMM-Newton, een team van astronomen ontdekte dat er misschien meer aan de vroege uitdijing van het heelal zit dan voorspeld door het standaardmodel van de kosmologie.

Volgens het leidende scenario ons heelal bevat slechts een paar procent gewone materie. Een kwart van de kosmos bestaat uit de ongrijpbare donkere materie, die we door de zwaartekracht kunnen voelen maar niet waarnemen, en de rest bestaat uit de nog mysterieuzere donkere energie die de huidige versnelling van de uitdijing van het universum aandrijft.

Dit model is gebaseerd op een veelheid aan gegevens die de afgelopen decennia zijn verzameld, van de kosmische microgolfachtergrond, of CMB – het eerste licht in de geschiedenis van de kosmos, vrijgegeven slechts 380, 000 jaar na de oerknal en in ongekend detail waargenomen door ESA's Planck-missie - naar meer 'lokale' waarnemingen. De laatste omvatten supernova-explosies, clusters van melkwegstelsels en de gravitatievervorming die wordt afgedrukt door donkere materie op verre sterrenstelsels, en kan worden gebruikt om de kosmische expansie in recente tijdperken van de kosmische geschiedenis te traceren - over de afgelopen negen miljard jaar.

Een nieuwe studie, onder leiding van Guido Risaliti van de Università di Firenze, Italië, en Elisabeta Lusso van de Universiteit van Durham, VK, wijst op een ander type kosmische tracer – quasars – die een deel van de kloof tussen deze waarnemingen zou opvullen, het meten van de uitdijing van het heelal tot 12 miljard jaar geleden.

Quasars zijn de kernen van sterrenstelsels waar een actief superzwaar zwart gat met zeer intense snelheden materie uit zijn omgeving aantrekt, helder schijnend over het elektromagnetische spectrum. Als materiaal op het zwarte gat valt, het vormt een wervelende schijf die straalt in zichtbaar en ultraviolet licht; dit licht, beurtelings, verwarmt nabijgelegen elektronen, röntgenstraling genereren.

Drie jaar geleden, Guido en Elisabeta realiseerden zich dat een bekende relatie tussen de ultraviolette en röntgenhelderheid van quasars zou kunnen worden gebruikt om de afstand tot deze bronnen te schatten - iets dat notoir lastig is in de astronomie - en, uiteindelijk, om de expansiegeschiedenis van het heelal te onderzoeken.

Astronomische bronnen waarvan de eigenschappen ons in staat stellen hun afstanden te meten, worden 'standaardkaarsen' genoemd.

De meest opvallende klasse, bekend als 'type Ia' supernova, bestaat uit de spectaculaire ondergang van witte dwergsterren nadat ze te veel materiaal van een begeleidende ster hebben gekregen, het genereren van explosies van voorspelbare helderheid waarmee astronomen de afstand kunnen bepalen. Waarnemingen van deze supernova's aan het eind van de jaren negentig onthulden de versnelde uitdijing van het heelal in de afgelopen paar miljard jaar.

"Het gebruik van quasars als standaardkaarsen heeft een groot potentieel, omdat we ze op veel grotere afstanden van ons kunnen waarnemen dan type Ia-supernova's, en gebruik ze dus om veel eerdere tijdperken in de geschiedenis van de kosmos te onderzoeken, ", legt Elisabeta uit.

Met een aanzienlijk aantal quasars bij de hand, de astronomen hebben hun methode nu in de praktijk gebracht, en de resultaten zijn intrigerend.

Duiken in het XMM-Newton-archief, ze verzamelden röntgengegevens voor meer dan 7000 quasars, door ze te combineren met ultraviolette waarnemingen van de Sloan Digital Sky Survey op de grond. Ze gebruikten ook een nieuwe set gegevens, speciaal verkregen met XMM-Newton in 2017 om naar zeer verre quasars te kijken, ze observeren zoals ze waren toen het universum slechts ongeveer twee miljard jaar oud was. Eindelijk, ze vulden de gegevens aan met een klein aantal nog verder verwijderde quasars en met enkele relatief nabije quasars, waargenomen met de Chandra- en Swift-röntgenobservatoria van NASA, respectievelijk.

"Zo'n grote steekproef stelde ons in staat om de relatie tussen röntgenstraling en ultraviolette emissie van quasars nauwkeurig te onderzoeken, die onze techniek enorm verfijnde om hun afstand te schatten, ' zegt Guido.

De nieuwe XMM-Newton-waarnemingen van verre quasars zijn zo goed dat het team zelfs twee verschillende groepen identificeerde:70 procent van de bronnen schijnt helder in energiezuinige röntgenstralen, terwijl de overige 30 procent kleinere hoeveelheden röntgenstraling uitzendt die worden gekenmerkt door hogere energieën. Voor de verdere analyse, ze hielden alleen de eerdere groep bronnen, waarin de relatie tussen röntgenstraling en ultraviolette emissie duidelijker lijkt.

"Het is vrij opmerkelijk dat we zo'n detailniveau kunnen onderscheiden in bronnen die zo ver van ons verwijderd zijn dat hun licht meer dan tien miljard jaar heeft gereisd voordat het ons bereikte, " zegt Norbert Schartel, XMM-Newton projectwetenschapper bij ESA.

Na het doorbladeren van de gegevens en het terugbrengen van het monster tot ongeveer 1600 quasars, de astronomen bleven achter met de allerbeste waarnemingen, wat leidde tot robuuste schattingen van de afstand tot deze bronnen die ze zouden kunnen gebruiken om de uitdijing van het heelal te onderzoeken.

"Als we het quasar-monster combineren, die bijna 12 miljard jaar kosmische geschiedenis omvat, met de meer lokale steekproef van type Ia supernova's, die slechts de afgelopen acht miljard jaar of zo bestrijken, we vinden vergelijkbare resultaten in de overlappende tijdperken, ' zegt Elisabeta.

"Echter, in de eerdere fasen die we alleen met quasars kunnen onderzoeken, vinden we een discrepantie tussen de waargenomen evolutie van het universum en wat we zouden voorspellen op basis van het standaard kosmologische model."

Kijkend naar deze voorheen slecht onderzochte periode van de kosmische geschiedenis met de hulp van quasars, de astronomen hebben een mogelijke spanning in het standaardmodel van de kosmologie onthuld, waarvoor mogelijk extra parameters nodig zijn om de gegevens met de theorie in overeenstemming te brengen.

"Een van de mogelijke oplossingen zou zijn om een ​​evoluerende donkere energie op te roepen, met een dichtheid die toeneemt naarmate de tijd verstrijkt, ' zegt Guido.

Overigens, dit specifieke model zou ook een andere spanning verlichten die kosmologen de laatste tijd bezig heeft gehouden, met betrekking tot de Hubble-constante - de huidige snelheid van kosmische expansie. Deze discrepantie werd gevonden tussen schattingen van de Hubble-constante in het plaatselijk universum, gebaseerd op supernovagegevens – en, onafhankelijk, op clusters van sterrenstelsels - en die gebaseerd zijn op Plancks waarnemingen van de kosmische microgolfachtergrond in het vroege heelal.

"Dit model is best interessant omdat het twee puzzels tegelijk kan oplossen, maar de jury is zeker nog niet bekend en we zullen nog veel meer modellen in detail moeten bekijken voordat we dit kosmische raadsel kunnen oplossen, " voegt Guido toe.

Het team kijkt ernaar uit om in de toekomst nog meer quasars te observeren om hun resultaten verder te verfijnen. Aanvullende aanwijzingen zullen ook komen van ESA's Euclid-missie, gepland voor een lancering in 2022 om de afgelopen tien miljard jaar van kosmische expansie te verkennen en de aard van donkere energie te onderzoeken.

"Dit zijn interessante tijden om de geschiedenis van ons universum te onderzoeken, en het is opwindend dat XMM-Newton kan bijdragen door te kijken naar een kosmisch tijdperk dat tot nu toe grotendeels onontgonnen was gebleven, ’ besluit Norbert.