宇宙の膨張を測定するための新しい物理学

・研究者はクエーサーから、過去120億年にわたる宇宙の膨張を測定しています。

・彼らはXMM-ニュートン衛星で調べ、7,000を超えるクエーサーのX線データを収集しました

私たちの宇宙は、通常の物質、暗黒物質、暗黒エネルギーの3種類の物質で構成されていると考えられています。 現在最も有力な説によると、宇宙は暗黒物質（70％）と暗黒エネルギー（25％）で満たされています。これは、現在の宇宙が加速的に膨張している事に関係しています。

このモデルは、何年にもわたっていくつかの地上および宇宙ベースの望遠鏡から収集された膨大な量のデータに基づいて構築されています。 データ（宇宙マイクロ波背景放射、銀河団、超新星爆発、暗黒物質によって引き起こされるさまざまな銀河の重力歪みに関連する）は、最大90億年前の宇宙史における最近の宇宙の膨張を調べるために使われる予定です。

現在、イタリアのフィレンツェ大学とイギリスのダラム大学の研究者は、過去120億年にわたる宇宙の拡大を測定する別の種類の宇宙トレーサーであるクエーサーを提案しています。

大きな銀河はその中心に超大質量ブラックホールを含んでいると理論づけられています。 これらの超大質量ブラックホールは、非常に速い速度で周囲から物質を引き込みます。 物質がブラックホールに落ちるとき、渦巻く円盤を形成します。 このディスクは紫外線と可視光線を放射し、近くの電子を加熱してX線を生成します。 このような銀河の核は、クエーサーまたは活動銀河核と呼ばれます。

しかし、これらのブラックホールのいくつかは、すでに周囲のすべてを巻き込んでおり、もう消費するものが何もありません。 たとえば、天の川の超大質量ブラックホールはすべての物質が不足しています。 活動銀河核がないため、他の遠方の銀河からはクエーサーのようには見えません。

クエーサーを使用して宇宙膨張を調べる

2015年、研究者たちは、X線でのクエーサーの光度と紫外線波長の関係を使用して、これらの線源の距離を決定したり、宇宙の膨張履歴を調査したりできることを発見しました。

Ia型超新星— 星の1つが白色矮星である連星系で発生する超新星の一種— は、爆発の明るさを予測し、科学者が距離を正確に特定できるようにします。 1990年代後半、科学者たちはこれらの超新星を観測し、過去数十億年にわたって加速された宇宙の膨張を明らかにしました。

宇宙の膨張を測定する活動銀河の芸術的な印象 | 提供: ESA

クエーサーはIa型超新星よりもはるかに遠い地球からクエーサーを観測できるため、宇宙史のはるかに初期の時代を正確に分析できます。 この研究では、研究者は測定方法を公開しており、非常に興味深い結果が出ています。

何をしたのか?

研究者は、XMM-Newton（1999年に打ち上げられたX線宇宙天文台）のアーカイブを調べ、7,000を超えるクエーサーのX線データを収集しました。 これには、110億年以上前の非常に遠いクエーサーが含まれます（つまり、光は私たちに到達する前に110億年以上移動していたという事です）。

この巨大なサンプルにより、クエーサーの紫外線とX線の放射の関係を詳細に調査し、距離を推定する方法を改善することができました。

研究者たちは、2つの異なるクエーサーの組み合わせを特定しました。30％の線源がより高いエネルギーを特徴とする少量のX線で、70％が低エネルギーのX線です。 研究者は、紫外線とX線放射の関係がより明確に見えるものだけを観察しました。

最終的に、正確な観測のためにサンプルを約1,600クエーサーに下げます。研究者はクエーサーサンプルをIa型超新星サンプルと組み合わせ、重複する元期を見つけました。

しかし、古いクエーサー（120億年以上の宇宙の歴史にまたがる）をIa型超新星と統合したとき、これら2つのサンプルの間にいくつかの矛盾が見つかりました。

クエーサーとIa型超新星を組み合わせて宇宙の膨張を分析した結果 | 研究者からの提供

この結果から、宇宙の現在の標準モデルでは、データを理論と一致させるために、さらにいくつかのパラメーターを追加する必要があることがわかります。 密度の増加に伴う暗黒エネルギーは、それらのパラメーターの1つである可能性があります。

このモデルは、ハッブル定数（宇宙膨張を説明するために使用される測定単位）とプランクによる宇宙マイクロ波背景放射の観測を研究している天文学者にも役立ちます。 ただし、宇宙の難問を解決する前に、チームはさらにいくつかのモデルを詳細に調査する必要があります。

研究者たちは、結果をさらに改善するために、より多くのクエーサーを観測することを計画しています。 2022年に開始される予定のESAのEuclidミッションは、より洗練されたデータを提供し、研究者がダークエネルギーの神秘的な性質を明らかにされるだろうと予想されています。