Quasars als de nieuwe 'standaard kaarsen' om zeer verre afstanden te berekenen in het heelal

Quasars (quasi-stellar radio source) zijn zeer heldere objecten die op grote afstanden van de aarde voorkomen. Het zijn de actieve centra van een sterrenstelsel, superzware zwarte gaten, die enorme hoeveelheden materie uit hun accretieschijf opslokken. 

Die materie uit de schijf die het zwarte gat omringt, wordt verhit naarmate ze dichter komt bij het zwarte gat en ze zendt grote hoeveelheden straling uit voor ze in het zwarte gat verdwijnt. Dat vindt plaats in heel het elektromagnetische spectrum, van radiogolven over infrarood, optisch en ultraviolet licht tot röntgenstraling en zelf gammastraling. 

 Loodrecht op het vlak van de accretieschijf wordt materie het heelal in geschoten met een snelheid die de lichtsnelheid kan benaderen, de  zogenoemde relativistische jets. Die kunnen duizenden lichtjaren lang zijn. 

In 1929 publiceerde de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble waarnemingen waaruit bleek dat er een correlatie is tussen de afstand van sterrenstelsels en hun snelheid, de wet van Hubble-Lemaître. 

De afstanden tot de sterrenstelsels werden bepaald aan de hand van de Cepheïden in de stelsels, sterren die pulseren en periodieke veranderingen in hun lichtsterkte vertonen. 

In 1908 had de Harvard-astronome Henrietta Swan Leavitt ontdekt dat er een verband was tussen de periode van de pulsaties van de Cepheïden en hun absolute helderheid, hun werkelijke lichtkracht los van de afstand. Daardoor kon ze de absolute magnitude berekenen, en door die te vergelijken met de schijnbare magnitude - de lichtsterkte die waargenomen wordt - kon men de afstanden tot de Cepheïden berekenen en daardoor ook de afstanden tot de sterrenstelsels waar ze in voorkomen. 

De Cepheïden werden zo de eerste 'standaard kaarsen' in de sterrenkunde, een term die bedacht werd door Swan Leavitt, objecten waarvan men de helderheid kent. 

Zelfs met de huidige moderne telescopen kan men echter Cepheïden op deze manier enkel bestuderen in relatief nabijgelegen sterrenstelsels. 

Om de afstandsschaal uit te breiden tot vroegere periodes in de kosmische geschiedenis hebben astronomen supernova's - de explosieve dood van zware sterren - gebruikt, die tot op veel grotere afstanden gezien kunnen worden. 

Door de waargenomen helderheid van een supernova te vergelijken met haar absolute helderheid - gebaseerd op haar classificatie - zijn astronomen in staat haar afstand vast te stellen. Als ze die vergelijken met de snelheid van het sterrenstelsel waarin de supernova plaatsvindt - de roodverschuiving van het stelsel die men met spectroscopische technieken kan meten - kunnen ze de Hubble-constante vinden, de verhouding tussen de snelheid van het sterrenstelsel en zijn afstand. 

De meest betrouwbare supernova's hiervoor, vanwege hun kosmische gelijkmatigheid, zijn zogenoemde 'Type Ia' supernova's. Die worden ook gezien als standaard kaarsen, omdat ze allemaal dezelfde absolute helderheid hebben. 

Het wordt echter moeilijker om zelfs de lichtsterke supernova's op deze manier te bestuderen naarmate ze verder weg liggen: de verste type Ia supernova waarvan de snelheid op een betrouwbare manier is vastgesteld, dateert van zo'n 3 miljard jaar na de oerknal en is dus zo'n 10,8 miljard jaar oud. 

Om nog verder terug te kunnen gaan in de tijd - en de ruimte - stellen astronomen van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en hun Italiaanse collega's voor quasars te gebruiken als nieuwe standaard kaarsen. Die behoren immers tot de meest lichtsterke objecten in het heelal en kunnen dus ook op zeer grote afstanden waargenomen worden. 

De verst verwijderde quasars die we kennen, stammen uit een periode van slechts 700 miljoen jaar na de oerknal, wat een spectaculaire uitbreiding betekent van het bereik van de roodverschuiving van standaard kaarsen. 

Een ander voordeel van quasars is dat er in de afgelopen paar jaar honderdduizenden van ontdekt zijn. Ook zeer belangrijk is dat de fysische processen in quasars verschillen van de processen in supernova's, zodat quasars volledig onafhankelijke metingen opleveren van kosmologische grootheden.

Het nieuwe systeem dat de astronomen voorstellen, berust op de ontdekking dat er een nauw verband bestaat tussen de röntgen- en ultraviolette straling van quasars. 

In het centrum van een quasar ligt zoals gezegd een superzwaar zwart gat dat omringd is door een zeer hete schijf van accretiemateriaal dat straling uitzendt in ultraviolet. De schijf wordt op haar beurt omringd door heet gas met elektronen die zich bewegen aan snelheden die de lichtsnelheid benaderen, en als ultraviolette fotonen - lichtdeeltjes - in aanraking komen met deze elektronen, wordt hun energie opgevoerd tot in het röntgenspectrum. 

Het team achter de studie analyseerde, voortbouwend op hun eerder werk, de röntgenmetingen van 2.332 verafgelegen quasars in de nieuwe Chandra Source Catalog en vergeleek die gegevens met de metingen in het ultraviolet van de Sloan Digital Sky Survey. 

Het was al geweten dat er bij 'lokale' quasars - dichterbij gelegen quasars - een correlatie bestaat tussen de helderheid in het ultraviolet en in röntgenstraling en de onderzoekers ontdekten dat die ook opgaat voor verafgelegen quasars - helemaal terug in de tijd tot meer dan 85 procent van de ouderdom van het heelal - en dat de correlatie zelfs nog hechter wordt in deze vroegere tijden. 

Daaruit vloeit voort dat deze twee grootheden - de helderheid in het ultraviolette en het röntgenspectrum - de afstand tot elke quasar kunnen bepalen, en die afstanden kunnen dan gebruikt worden om kosmologische modellen te testen of om bijvoorbeeld de Hubble-constante, die voortvloeit uit de wet van Hubble-Lemaître, te bepalen voor verafgelegen sterrenstelsels. 

Als de resultaten van het nieuwe systeem bevestigd worden in onderzoeken, zullen astronomen kunnen beschikken over een spectaculair nieuw instrument om de eigenschappen van het evoluerende universum mee te meten, zo zeggen de onderzoekers. 

Een voorpublicatie van de studie van de onderzoekers van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en hun collega's van de Università di Firenze, het INAF - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano en het INAF - Osservatorio Astrofisico di Arcetri is beschikbaar op arXiv . Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.