类星体宇宙学：变化中的暗能量？
在观测宇宙学中，天文学家要依赖一系列本征亮度已知的“标准烛光”来敲定每个星系的距离，进而对一系列的宇宙学参数进行约束，并与理论模型进行比较。最经典的标准烛光是凭借周光关系最终敲定旋涡“星云”河外身份的造父变星，而最受当代观测者青睐的则是源于超重白矮星爆发的Ia型超新星——后者因为更加明亮、峰值光度也更稳定，适用范围较广。导致宇宙加速膨胀的暗能量就是通过对河外Ia型超新星的观测才被发现的。
但是到了大约90亿光年之外，超新星也趋于暗淡，地球上的观测者难以将它们从宿主星系中解析出来。在更远处，人们不得不诉诸于更加明亮的天体所表现出的一些性质，如旋涡星系的塔利-费希尔（Tully-Fisher）关系、椭圆星系的费伯-杰克逊（Faber-Jackson）关系等等，近些年来还有将伽玛射线暴的一些统计关系以至于同伽玛暴成协的核心坍缩型超新星用于限制宇宙学参数的工作。比如自己之前所在的研究组在伽玛暴宇宙学方面颇有一些尝试，不过个人所知的相关研究也基本上是证实或拓展ΛCDM模型用其他手段获取的关键信息，未见另立新论之说。
宇宙学家想了解的关键信息指的是什么？无外乎宇宙中暗能量、暗物质和普通物质三大成分的比例，暗能量和暗物质的性质，还有哈勃常数等基本参数的大小。但总的来说，前述新兴手段的弥散度普遍偏大，在Ia型超新星失效的高红移区精度如何，又或者说是否存在更明亮、普遍又可靠的标准烛光，还都是值得商榷的话题。
这些年来，类星体作为标准烛光的可能性逐渐浮出了水面。其实早在20世纪80年代，就有研究者注意到，这类明亮的点状天体所发出的紫外辐射越强，X射线辐射也越剧烈。后来当类星体作为特大质量黑洞驱动的活动星系核的本质得到证认之后，这一现象被研究者使用黑洞周边结构的模型来解释——紫外光来自黑洞周边吸积盘中物质下落的过程，而能量更高的X射线则是盘面周围的热电子（盘冕）对紫外光的散射形成的。既然后者的产生依赖前者，这两种辐射之间存在一定的关联是自然而然的事情。
艺术家笔下作为标准烛光的类星体。图中以蓝色代表黑洞吸积盘的紫外辐射，黄色代表盘冕中的电子散射过程。（图片提供：NASA/CXC/M. Weiss）
现在天文学家已经知道，类星体的静止系紫外（波长2500埃）-X射线（光子能量2 KeV）本征光度存在一个非线性关系。更确切地说，这两个波段本征光度的对数之间呈线性的正相关，只是其中存在较大的弥散度。不过近几年的一系列研究已经证明，这样的弥散在相当程度上源自观测效应，源于相关性本身的实际弥散很小。这样一来，使用类星体来限制宇宙学参数变得似乎可行——只要能够测量一个类星体的紫外和X射线视亮度，结合二者的差异，就可以根据本征亮度关系的非线性特性来推知本征亮度的大小，进而了解这个活动星系核的真实距离了。而且一个类星体的亮度相当于整个星系的上百倍，活动时间又相对持久，又不像伽玛暴那样爆发若干秒甚至更短时间之过后归于沉寂，如果将其用作标准烛光，前景会是非常广阔的。
类星体紫外与X射线光度之间的统计关系。（图片来源：Risaliti & Lusso 2019）
最近由意大利弗罗伦萨大学的Guido Risaliti与英国达勒姆大学的Elisabeta Lusso发表的一项研究就在此基础上使用类星体测量了远方宇宙的膨胀速度，进而得出了暗物质的特性随时间变化的结论。他们的样本是由钱德拉X射线天文台以及XMM-牛顿望远镜观测到的1598个类星体，它们的红移介于0.04到5.1之间。这些样本系由XMM-牛顿偶遇X射线源表与斯隆数字巡天释放的数据中交叉比对挑选而来，同时为了排除观测仪器影响和类星体本身尘埃红化/射电辐射/X射线气体吸收等效应，两位研究者又进行了进一步的筛查。<
观测表明，这将近1600个类星体又可以被分为两类。其中的7成属于X射线明亮但辐射谱较“软”（幂律指数在2上下）的那一种；此外还有3成谱指数虽硬，但辐射却较为微弱。或许它们意味着活动星系核不同的X射线辐射区状态，但相应的盘面性质却无明显差异，但这并不是重点。重点在于，对于X射线同紫外光度的统计关系而言，前者弥散度极小，后者却表现出了强烈的发散。换句话说，如果要借助类星体有效地限制宇宙学模型，我们只能使用X射线和紫外辐射均有效发出，因此X射线光度高而光学辐射谱颜色整体偏蓝的那一部分源。
在低红移区域，根据类星体绘制的哈勃图与先前利用Ia型超新星得出的结果符合得非常好，这有力地说明了类星体标准烛光的可靠性：
使用Ia型超新星和类星体数据绘制的哈勃图。图中青色数据点表示Ia型超新星，黄点表示类星体，蓝色星号表示XMM-牛顿专门观测的一批高红移类星体，红点是类星体的平均结果。可见至少在红移低于1.5（距今约90亿年）的区间内，由两种方法得到的结论几乎完全一致。（图片来源：Risaliti & Lusso 2019）
但是高红移区是另一回事。根据类星体标示出的距离同红移之间的关系与主流宇宙学参数（物质密度，暗能量密度
）的预言（上图中的紫色虚线）并不相符。由上图可见，理论和观测之间的差异在红移不足1.5的区域非常小，只有到了我们至今认识难称充分的高红移宇宙中才显得扎眼，这也是它直到现在才被人注意到的原因。
这种差异的一个可能解释是随时间推移而变的暗能量性质。如今最流行的暗能量模型是所谓的宇宙学常数，它认为暗能量的能量密度均匀分布，而且其状态方程自创世大爆炸一来一直保持稳定。但如果实际情况是暗能量随时间推移而增加，那么以上问题迎刃而解。幸运的是，含时的暗能量理论的确存在，比如精质（Quintessence）说、CPL说等，不过Risaliti与Lusso并未特别指明究竟哪种模型能够更好地和他们的结果对应起来，何况从现有数据的误差，恐怕也不足以敲定某个特定的理论正确与否。
如果变化的暗能量模型能够成立，也是好事一桩——它能够顺理成章地解释目前哈勃常数测量所遭遇的显著矛盾。但是现在这一切的结论都是初步的，误差仍旧存在，而类星体作为标准烛光的身份也有待进一步的认证——如果在宇宙的不同时代性质不同的其实是类星体而非暗能量呢？这种可能性并不能排除。Risaliti与Lusso称，在后续工作中，他们将继续考察并推广类星体宇宙学，因此还是让我们拭目以待吧。
