宇宙是由什么構(gòu)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(zhì)結(jié)合在一起就會形成你、我、地球、恒星…… 但事實(shí)上，我們所熟悉的這些普通物質(zhì)僅僅只占據(jù)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(zhì)，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(dǎo)致了宇宙的加速膨脹。

這樣的一個(gè)圖景，是由一個(gè)叫ΛCDM的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型所描述的（Λ是宇宙學(xué)常數(shù)，CDM代表冷暗物質(zhì)）。這個(gè)模型是由過去幾十年所收集的大量數(shù)據(jù)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(tuán)以及暗物質(zhì)在遙遠(yuǎn)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(gè)時(shí)代的宇宙膨脹，時(shí)間跨度約為90億年。

通過歐洲航空局（ESA）的XMM-牛頓衛(wèi)星觀測到的大量遙遠(yuǎn)的活躍星系，一組天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙早期的膨脹可能比宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的要多。在新的研究中，他們發(fā)現(xiàn)類星體或許可以拓寬觀測的時(shí)間跨度，這將天文學(xué)家對宇宙膨脹的測量推回到120億年前。

○ 類星體的藝術(shù)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(gè)活躍的超大質(zhì)量黑洞，以非常快的速度吞噬周圍的物質(zhì)，釋放出跨越了整個(gè)電磁波譜的明亮光芒。當(dāng)物質(zhì)落在黑洞上時(shí)，它會形成一個(gè)輻射可見光和紫外光的旋轉(zhuǎn)圓盤；接著，這些釋放出的光會加熱周圍的電子，從而產(chǎn)生X射線。

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

○ 類星體可以被當(dāng)做標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)后的壯觀消亡構(gòu)成，會產(chǎn)生亮度可預(yù)測的劇烈爆炸，從而使得天文學(xué)家能夠確定其距離。上世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)燭光有很大的潛力，因?yàn)榕cIa型超新星相比，我們可以從更遠(yuǎn)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(shí)期。”

現(xiàn)在，有了大量的類星體樣本之后，天文學(xué)家已經(jīng)能將他們的想法付諸實(shí)踐，而由此產(chǎn)生的結(jié)果非常有趣。

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

Risaliti說：“如此龐大的樣本足以使我們能夠細(xì)致地研究類星體輻射出的X射線和紫外線之間的關(guān)系，極大地改進(jìn)了我們估算其距離的技術(shù)?！?/span>

XMM-牛頓衛(wèi)星對遙遠(yuǎn)類星體進(jìn)行的新觀測獲得了非常出色的結(jié)果，他們甚至發(fā)現(xiàn)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(jìn)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(guān)系更加清晰。

歐洲航天局的科學(xué)家Norbert Schartel說：“能在離我們?nèi)绱诉b遠(yuǎn)的光源中分辨出如此細(xì)微的細(xì)節(jié)，是非常了不起的。這些光源的光在抵達(dá)我們之前已經(jīng)傳播了上百億年了?！?/span>

在瀏覽了這些數(shù)據(jù)后，他們將類星體的樣本縮小到了1600個(gè)，天文學(xué)家們得到了最好的觀測結(jié)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(dāng)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(jié)合起來時(shí)，我們在重疊的時(shí)代中發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果。”

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