宇宙是由什么構成的？我們可能會立即想到是原子或者更小的夸克和電子。的確，這些物質結合在一起就會形成你、我、地球、恒星…… 但事實上，我們所熟悉的這些普通物質僅僅只占據了宇宙的5%。那其余的95%是什么？其中約27%的東西被我們成為暗物質，我們雖然無法觀測到它們，但可以通過它們所施加的引力來推斷它們的存在；剩余的68%是神秘的暗能量——它導致了宇宙的加速膨脹。

這樣的一個圖景，是由一個叫ΛCDM的宇宙學標準模型所描述的（Λ是宇宙學常數，CDM代表冷暗物質）。這個模型是由過去幾十年所收集的大量數據所支撐的，從宇宙微波背景（CMB）到更加”局域“的觀測。后者包括超新星爆炸、星系團以及暗物質在遙遠星系上留下的引力畸變，它們可被用于追溯宇宙歷史上近幾個時代的宇宙膨脹，時間跨度約為90億年。

通過歐洲航空局（ESA）的XMM-牛頓衛星觀測到的大量遙遠的活躍星系，一組天文學家發現，宇宙早期的膨脹可能比宇宙學標準模型預測的要多。在新的研究中，他們發現類星體或許可以拓寬觀測的時間跨度，這將天文學家對宇宙膨脹的測量推回到120億年前。

○ 類星體的藝術渲染圖。| 圖片來源：ESA–C. Carreau

類星體是一類非常明亮的活動星系核（AGN），在它們的核心是一個活躍的超大質量黑洞，以非?？斓乃俣韧淌芍車奈镔|，釋放出跨越了整個電磁波譜的明亮光芒。當物質落在黑洞上時，它會形成一個輻射可見光和紫外光的旋轉圓盤；接著，這些釋放出的光會加熱周圍的電子，從而產生X射線。

三年前，研究人員Guido Risaliti和Elisabeta Lusso意識到，一個著名用于描述類星體的紫外線和X射線之間的亮度關系，可以用來計算一個天文學上非常棘手的問題——類星體的距離，從而可進一步被用來探索宇宙的膨脹歷史。有一些天體的性質，能使我們能夠測量它們的距離，這些天體被稱之為“標準燭光”。

○ 類星體可以被當做標準燭光。| 圖片來源：NASA/ESA/Hubble

其中最值得提到的一類天體是Ia型超新星，它由白矮星在吸收了來自伴星的物質后的壯觀消亡構成，會產生亮度可預測的劇烈爆炸，從而使得天文學家能夠確定其距離。上世紀90年代末對這些超新星的觀測，揭示了宇宙在過去幾十億年間的加速膨脹。

Elisabeta解釋說：“使用類星體作為標準燭光有很大的潛力，因為與Ia型超新星相比，我們可以從更遠的距離觀測到它們，因此可以用它們來探測宇宙史上的更早時期?！?/span>

現在，有了大量的類星體樣本之后，天文學家已經能將他們的想法付諸實踐，而由此產生的結果非常有趣。

通過挖掘XMM-牛頓衛星檔案中的數據，他們收集到了7000多個類星體的X射線數據，然后他們將這些數據與來自地面的斯隆數字巡天 （SDSS）的紫外線觀測結合起來。他們還使用了一組由XMM-牛頓衛星在2017年專門對非常遙遠的類星體進行觀測時所獲取的新數據，觀測到了它們在宇宙只有大約20億年時候的樣子。最后，他們還用其他天文臺觀測到的少量更遠的類星體和一些相對較近的類星體對數據進行了補充。

Risaliti說：“如此龐大的樣本足以使我們能夠細致地研究類星體輻射出的X射線和紫外線之間的關系，極大地改進了我們估算其距離的技術。”

XMM-牛頓衛星對遙遠類星體進行的新觀測獲得了非常出色的結果，他們甚至發現了兩種不同類型的類星體：70%的類星體會在低能的X射線波段釋放出明亮的光芒，而剩下的30%則釋放出少量高能的X射線。為了開展進一步分析，他們只保留了較早的一組光源，那組光源中的X射線與紫外輻射的關系更加清晰。

歐洲航天局的科學家Norbert Schartel說：“能在離我們如此遙遠的光源中分辨出如此細微的細節，是非常了不起的。這些光源的光在抵達我們之前已經傳播了上百億年了?！?/span>

在瀏覽了這些數據后，他們將類星體的樣本縮小到了1600個，天文學家們得到了最好的觀測結果，從而能夠更可靠的估算這些類星體的距離，并用于探索宇宙的膨脹。

Lusso說：“當把跨越了近120億年宇宙歷史的類星體樣本，與只覆蓋了過去80億年左右的Ia型超新星的局域樣本結合起來時，我們在重疊的時代中發現了相似的結果。”

○ 圖中顯示了天體（青色符號代表Ia型超新星；黃色、紅色和藍色符號代表類星體）距離的測量值，可以被用來研究宇宙的膨脹歷史。| 圖片來源：G. Risaliti & E. Lusso

“然而，對于更早期的宇宙階段，我們只能通過類星體來探測。結果發現我們觀測到的宇宙演化與我們根據標準宇宙模型所作出的預測之間存在差異?！?/span>

在類星體的幫助下，天文學家得以研究宇宙的這段在過去未能被充分探索的歷史時期，并揭示了宇宙學標準模型中可能存在問題，這意味著我們或許需要額外的參數來調和數據與理論之間的關系。

Risaliti說：“一個可能的解決方案是假設存在一種不斷演化的暗能量，這種暗能量的密度會隨著時間的推移而增加?！?/span>

另外，這個特殊的模型還將緩解另一個讓宇宙學家苦思冥想的問題，那就是哈勃常數！這個問題來源于從局域宇宙（基于超新星數據）估算出的哈勃常數與從星系團（基于普朗克對CMB的觀測）所推測出的哈勃常數存在差異。

Risaliti補充說：“這個模型非常有趣，因為它可能同時解決兩個難題，只是目前還沒有定論，在我們能夠解決這個宇宙難題之前，我們必須仔細研究更多的模型。”

研究人員希望在未來能觀測到更多的類星體，進一步地完善他們的結果。此外，計劃于2022年發射的歐幾里得衛星，將會在發射之后探索過去100億年的宇宙膨脹，并且研究暗能量的性質。屆時，它將有望給我們帶來更多的線索。

參考來源：

https://phys.org/news/2019-01-galaxies-physics-cosmic-expansion.html

https://www.nature.com/articles/s41550-018-0657-z

文章來源：原理

IEEE Spectrum

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