Investigando la historia de nuestro cosmos con una gran muestra de galaxias distantes 'activas' observadas por XMM-Newton de la ESA, un equipo de astrónomos descubrió que podría haber más en la expansión temprana del universo de lo que predice el modelo estándar de cosmología.

Según el escenario principal, nuestro universo contiene sólo un pequeño porcentaje de materia ordinaria. Una cuarta parte del cosmos está hecha de la elusiva materia oscura, que podemos sentir gravitacionalmente pero no observar, y el resto consiste en la energía oscura aún más misteriosa que está impulsando la actual aceleración de la expansión del universo.

Este modelo se basa en una multitud de datos recopilados durante las últimas dos décadas, desde el fondo cósmico de microondas, o CMB - la primera luz en la historia del cosmos, lanzado solo 380, 000 años después del Big Bang y observado con un detalle sin precedentes por la misión Planck de la ESA, hasta observaciones más "locales". Estos últimos incluyen explosiones de supernovas, cúmulos de galaxias y la distorsión gravitacional impresa por la materia oscura en galaxias distantes, y se puede utilizar para rastrear la expansión cósmica en épocas recientes de la historia cósmica, a lo largo de los últimos nueve mil millones de años.

Un nuevo estudio dirigido por Guido Risaliti de Università di Firenze, Italia, y Elisabeta Lusso de la Universidad de Durham, REINO UNIDO, apunta a otro tipo de trazador cósmico, los cuásares, que llenaría parte de la brecha entre estas observaciones, midiendo la expansión del universo hasta hace 12 mil millones de años.

Los quásares son los núcleos de las galaxias donde un agujero negro supermasivo activo está atrayendo materia de su entorno a velocidades muy intensas. brillando intensamente a través del espectro electromagnético. A medida que el material cae sobre el agujero negro, forma un disco giratorio que irradia luz visible y ultravioleta; esta luz, Sucesivamente, calienta los electrones cercanos, generando rayos X.

Hace tres años, Guido y Elisabeta se dieron cuenta de que una relación bien conocida entre el brillo ultravioleta y de rayos X de los quásares podría usarse para estimar la distancia a estas fuentes, algo que es notoriamente complicado en astronomía y, por último, para sondear la historia de la expansión del universo.

Las fuentes astronómicas cuyas propiedades nos permiten medir sus distancias se denominan "velas estándar".

La clase más notable, conocida como supernova 'tipo-Ia', consiste en la espectacular desaparición de las estrellas enanas blancas después de que se han llenado en exceso de material de una estrella compañera, generando explosiones de brillo predecible que permiten a los astrónomos señalar la distancia. Las observaciones de estas supernovas a finales de la década de 1990 revelaron la expansión acelerada del universo durante los últimos miles de millones de años.

"El uso de quásares como velas estándar tiene un gran potencial, ya que podemos observarlos a distancias mucho mayores de nosotros que las supernovas de tipo Ia, y utilícelos para sondear épocas mucho más antiguas de la historia del cosmos, "explica Elisabeta.

Con una muestra considerable de quásares a mano, los astrónomos ahora han puesto en práctica su método, y los resultados son fascinantes.

Profundizando en el archivo XMM-Newton, recopilaron datos de rayos X para más de 7000 cuásares, combinándolos con observaciones ultravioleta del Sloan Digital Sky Survey en tierra. También utilizaron un nuevo conjunto de datos, obtenido especialmente con XMM-Newton en 2017 para observar cuásares muy distantes, observándolos como eran cuando el universo tenía sólo unos dos mil millones de años. Finalmente, complementaron los datos con una pequeña cantidad de cuásares aún más distantes y con algunos relativamente cercanos, observado con los observatorios de rayos X Chandra y Swift de la NASA, respectivamente.

"Una muestra tan grande nos permitió escudriñar la relación entre los rayos X y la emisión ultravioleta de los quásares con minucioso detalle, que refinó en gran medida nuestra técnica para estimar su distancia, "dice Guido.

Las nuevas observaciones de XMM-Newton de cuásares distantes son tan buenas que el equipo incluso identificó dos grupos diferentes:el 70 por ciento de las fuentes brillan intensamente en rayos X de baja energía, mientras que el 30 por ciento restante emite cantidades más bajas de rayos X que se caracterizan por energías más altas. Para un análisis más detallado, solo conservaron el grupo anterior de fuentes, en el que la relación entre los rayos X y la emisión ultravioleta aparece más clara.

"Es bastante notable que podamos discernir tal nivel de detalle en fuentes tan distantes de nosotros que su luz ha viajado durante más de diez mil millones de años antes de llegar a nosotros". "dice Norbert Schartel, Científico del proyecto XMM-Newton en la ESA.

Después de revisar los datos y reducir la muestra a aproximadamente 1600 cuásares, los astrónomos se quedaron con las mejores observaciones, lo que lleva a estimaciones sólidas de la distancia a estas fuentes que podrían utilizar para investigar la expansión del universo.

"Cuando combinamos la muestra de cuásar, que abarca casi 12 mil millones de años de historia cósmica, con la muestra más local de supernovas de tipo Ia, cubriendo solo los últimos ocho mil millones de años, encontramos resultados similares en las épocas superpuestas, "dice Elisabeta.

"Sin embargo, en las fases anteriores que solo podemos probar con quásares, encontramos una discrepancia entre la evolución observada del universo y lo que predeciríamos basándonos en el modelo cosmológico estándar ".

Mirando este período previamente mal explorado de la historia cósmica con la ayuda de quásares, los astrónomos han revelado una posible tensión en el modelo estándar de cosmología, lo que podría requerir la adición de parámetros adicionales para conciliar los datos con la teoría.

"Una de las posibles soluciones sería invocar una energía oscura en evolución, con una densidad que aumenta con el paso del tiempo, "dice Guido.

De paso, este modelo en particular también aliviaría otra tensión que ha mantenido ocupados a los cosmólogos últimamente, con respecto a la constante de Hubble - la tasa actual de expansión cósmica. Esta discrepancia se encontró entre las estimaciones de la constante de Hubble en el universo local, basado en datos de supernova - y, independientemente, en cúmulos de galaxias, y aquellos basados ​​en las observaciones de Planck del fondo cósmico de microondas en el universo temprano.

"Este modelo es bastante interesante porque podría resolver dos acertijos a la vez, pero el jurado definitivamente no ha salido todavía y tendremos que mirar muchos más modelos con gran detalle antes de que podamos resolver este acertijo cósmico, "agrega Guido.

El equipo espera observar aún más cuásares en el futuro para refinar aún más sus resultados. También se obtendrán pistas adicionales de la misión Euclid de la ESA, programado para un lanzamiento en 2022 para explorar los últimos diez mil millones de años de expansión cósmica e investigar la naturaleza de la energía oscura.

"Estos son tiempos interesantes para investigar la historia de nuestro universo, y es emocionante que XMM-Newton pueda contribuir al observar una época cósmica que ha permanecido en gran parte inexplorada hasta ahora, "concluye Norbert.