類星體成為測量宇宙膨脹用的最新標準燭光

作者 | 發布日期 2019 年 02 月 09 日 0:00 | 分類 天文 follow us in feedly

天文學家分析歐洲太空總署(ESA)XMM-Newton 太空望遠鏡的大量遙遠活躍星系(active galaxy)觀測資料,以探究宇宙歷史中,發現更多關於宇宙標準模型(standard model of cosmology)所預測的宇宙膨脹初期狀況。



▲ 活躍星系用做測量標準的宇宙膨脹速度示意圖。

根據現行較為學界接受的版本,宇宙的普通物質(ordinary matter)只占了很小一部分。約四分之一是由謎樣的暗物質(dark matter)構成,只能透過重力交互作用得知它們的存在。剩下超過七成成分是更神祕,並促使宇宙加速膨脹的暗能量(dark energy)。

這個宇宙模型是根據過去數十年收集的眾多數據資料建立的,包含宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background,CMB),這是宇宙歷史長河的第一道光,在大霹靂(big bang)後約 380,000 年釋出,ESA 的普朗克太空望遠鏡(Planck mission)曾非常詳細觀測 CMB 在局部宇宙的分布概況。而後,天文學家還透過觀測超新星爆炸、星系團和因遙遠星系暗物質造成的重力扭曲等,追蹤跨越過去 90 億年「近期」宇宙歷史的宇宙膨脹情形。

義大利佛羅倫薩大學(Università di Firenze)Guido Risaliti 和英國杜倫大學(Durham University)Elisabeta Lusso 等人最新研究指出:透過另一個「宇宙示蹤物」(cosmic tracer)──類星體(quasar)──來填補一部分各種觀測間的空隙,使宇宙膨脹概況的認知拓展至距今 120 億年前。

類星體是遙遠星系中心的超大質量黑洞,猛烈吞噬大量周邊物質釋放出大量能量的結果,所以整個電磁波譜非常明亮。當物質落往黑洞時,會在黑洞周邊形成一個旋轉盤面結構,稱為「吸積盤」(acretion disk),此過程會發射出可見光和紫外光,而這些光會加熱鄰近的電子進而產生 X 光。

大約 3 年前,Guido 和 Elisabeta 領悟到有個知名的類星體發出的紫外光和 X 光的亮度關連性,或許可以應用在估計類星體的距離上,這在天文學中是出了名的「伎倆」,而這種應用最後能推展到探索宇宙膨脹歷史上。

這種發光特性能用在估測距離的天文光源稱為「標準燭光」(standard candle)。近年最醒目的標準燭光就是 Ia 型超新星(type-Ia supernova),利用雙星中的白矮星掠奪伴星物質,累積到超過白矮星質量上限時引發的超新星爆炸,因為有這個 1.4 倍太陽質量的錢卓極限上限,因此天文學家認為 Ia 型超新星爆發時的絕對亮度都會相同,利用絕對亮度和視亮度之間的距離模數(distance modulus)關係式,就可以求出該天體的距離。從 1990 年代末期累積至今的 Ia 型超新星爆炸觀測結果,指出我們的宇宙在過去幾十億年是處在加速膨脹的狀態。

▲ Ia 型超新星和類星體應用在宇宙膨脹研究的結果。橫軸代表宇宙年齡,以紅移(Z,redshift)表示;縱軸為距離,以距離模數表示。藍綠點為 Ia 超新星觀測資料,灰點為類星體觀測資料,紅點為紅移近似的類星體的平均資料。從圖中可見,類星體的距離測量不若 Ia 型超新星精準,但可測量的宇宙年齡範圍卻遠大於 Ia 型超新星。(Source:Risaliti & Lusso, Astrophysical Journal, Volume 815, 2015)

這些天文學家認為將類星體當作標準燭光,在宇宙膨脹相關研究有很大潛力,因為它們夠亮,即便很遙遠之處都能觀測到,可觀測距離遠超過 Ia 型超新星。換句話說,可探測到更早之前的宇宙狀況。因此他們積極從各觀測資料庫挖掘所需資料,將理論化為實踐,好在結果相當喜人。從 XMM-Newton 太空望遠鏡資料庫累積多年的 7 千多筆類星體 X 光資料,再與地面望遠鏡進行的史隆數位巡天(Sloan Digital Sky Survey,SDSS)紫外光資料結合後,再分析研究。另外還加入新觀測資料,尤其是從 XMM-Newton 在 2017 年觀測後搜尋那些距離非常遠、約相當於宇宙年齡僅約 20 億年內的類星體。最後,再從 NASA 的錢卓(Chandra)和史威福(Swift)兩座 X 射線太空望遠鏡觀測資料補充一些更遠的和相當近的類星體,讓資料樣本更完整,如此一來便提高研究結果的可信度。

(本文由 台北天文館 授權轉載;圖片來源:ESA