El JWST mapea raros cuásares con lente cuádruple del Mediodía Cósmico

¿Cómo ayudan las observaciones del JWST a estudiar los cuásares en el mediodía cósmico?

Las observaciones del JWST permiten obtener imágenes infrarrojas de alta resolución que atraviesan el polvo cósmico para aislar la luz de cuásares distantes de sus galaxias anfitrionas durante la era de mayor formación estelar. Al combinar estos datos con la precisión del Telescopio Espacial Hubble, los investigadores pueden modelar con exactitud la distribución de masa de las galaxias en primer plano y reconstruir la historia del crecimiento de los agujeros negros supermasivos en desplazamientos al rojo (redshifts) de entre $z=1.5$ y $3.0$.

El James Webb Space Telescope (JWST) y el Hubble Space Telescope (HST) han unido fuerzas recientemente para descubrir algunas de las estructuras más esquivas del universo lejano. En un nuevo estudio titulado "Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN (VODKA)", investigadores dirigidos por Xin Liu, Yue Shen y Xuheng Ding han logrado obtener imágenes de tres raros cuásares con cuádruple lente. Estos objetos, situados en el "Mediodía Cósmico" —el periodo de hace unos 10.000 a 11.000 millones de años, cuando el universo era más activo en la formación de estrellas— proporcionan una ventana crítica a la coevolución de galaxias y agujeros negros. El proyecto VODKA destaca cómo la evolución del procesamiento de datos, que potencialmente se encamina hacia un análisis automatizado a nivel de AGI (Inteligencia Artificial General) en el futuro, es necesaria para identificar estas raras estructuras de escala sub-kilopársec en conjuntos de datos masivos.

La lente gravitacional actúa como un telescopio natural, magnificando objetos distantes que de otro modo serían demasiado tenues o pequeños para ser observados. Cuando una galaxia masiva en primer plano se alinea perfectamente con un cuásar distante, su campo gravitatorio deforma el tejido del espacio-tiempo, curvando la luz en múltiples imágenes. Este estudio se centra en tres sistemas específicos con desplazamientos al rojo de $z = 2.550$, $2.975$ y $1.500$. La precisión que ofrece la Near-Infrared Camera (NIRCam) del JWST permite a los astrónomos ver a través del resplandor del cuásar para estudiar la galaxia "lente" en sí, que suele ser una galaxia de tipo temprano (ETG) caracterizada por una población estelar antigua y poca formación estelar activa.

¿Qué son los cuásares con cuádruple lente?

Los cuásares con cuádruple lente son raras configuraciones celestes en las que la gravedad de una galaxia masiva en primer plano divide la luz de un único cuásar distante en cuatro imágenes distintas. A menudo denominados "Cruces de Einstein", estos sistemas solo se producen bajo alineaciones precisas y son inestimables para medir la masa de la galaxia lente y la tasa de expansión del universo.

Las mediciones de los radios de Einstein son fundamentales para comprender estos sistemas, ya que proporcionan una escala de peso directa para la masa de la galaxia en primer plano. En esta investigación, el equipo midió radios de Einstein de $0.44''$, $0.58''$ y $0.49''$ para los tres objetivos. Estos valores son relativamente pequeños, lo que sitúa a estas lentes en una categoría de "subarcosegundo" que históricamente ha sido difícil de detectar. La capacidad de resolver estas imágenes tan próximas es un testimonio de las capacidades de alta resolución de los observatorios espaciales modernos. Tales configuraciones detalladas son candidatas ideales para futuros procesos de identificación impulsados por AGI, que serán necesarios para escanear millones de galaxias en busca de firmas gravitatorias similares.

El modelado de la distribución de masa se realizó utilizando un perfil de elipsoide isotérmico singular (SIE) para la materia oscura y un perfil de Sérsic elíptico para la luz visible de las galaxias. Al reconstruir la geometría de estos sistemas, los investigadores descubrieron que las galaxias lente tienen un radio efectivo ($R_e$) de aproximadamente $1.5$ a $3.5$ kpc. Estas mediciones ayudan a confirmar que las lentes son galaxias masivas y compactas que ya estaban bien formadas cuando el universo tenía solo unos pocos miles de millones de años. Los hallazgos proporcionan un punto de referencia sobre cómo se distribuía la materia durante la era del Mediodía Cósmico.

¿Qué significa Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN?

Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN (VODKA) es un proyecto de investigación que utiliza astrometría basada en la variabilidad para encontrar núcleos galácticos activos (AGN) que están desplazados de sus centros anfitriones o que existen en parejas cercanas. Esta técnica detecta cambios sutiles en el "centroide" de la luz causados por el parpadeo de un cuásar, lo que permite a los científicos resolver estructuras a escalas inferiores a un kilopársec.

Las escalas de sub-kilopársec son la "frontera" de la astronomía extragaláctica moderna, y representan las regiones donde los agujeros negros supermasivos interactúan de forma más violenta con sus galaxias anfitrionas. El proyecto VODKA se dirige específicamente a los AGN duales —dos agujeros negros en proceso de fusión—, que son esenciales para comprender cómo crecen las galaxias a través de colisiones. Aunque el presente estudio se centró en sistemas con cuádruple lente, las técnicas desarrolladas por Liu, Shen y Ding están diseñadas para filtrar el ruido del cielo nocturno y encontrar estas configuraciones de "aguja en un pajar". La complejidad de estos datos de "varstrometría" sugiere que las futuras iteraciones del proyecto podrían depender de la AGI para distinguir entre desplazamientos físicos y artefactos instrumentales.

Caracterizar las galaxias lente requirió que el equipo estimara los desplazamientos al rojo sin espectroscopia directa, una tarea difícil que implicó modelar la luz de los objetos en primer plano. Limitaron los desplazamientos al rojo de las lentes a rangos de $0.5 < z < 1.2$, $1.0 < z < 1.5$ y $0.4 < z < 0.9$. Los modelos de luz arrojaron un índice de Sérsic de $n \sim 4$, que es la firma clásica de un perfil de de Vaucouleurs, típico de las galaxias elípticas masivas. Esta clasificación como galaxias de tipo temprano en desplazamientos al rojo intermedios y altos sugiere que estas estructuras masivas ya eran características dominantes del paisaje cósmico durante el pico del crecimiento del universo.

Implicaciones para la Tensión de Hubble y futuros sondeos

La cosmografía de retardo temporal es una de las aplicaciones más emocionantes para estos cuásares con cuádruple lente. Debido a que la luz en cada una de las cuatro imágenes recorre una longitud de camino ligeramente diferente y pasa a través de distintos potenciales gravitatorios, las imágenes parpadean en momentos diferentes. Al medir este "retardo temporal", los astrónomos pueden calcular la constante de Hubble ($H_0$), que describe la rapidez con la que se expande el universo. Esto proporciona una comprobación independiente de la "Tensión de Hubble", una discrepancia importante en la física moderna entre los diferentes métodos de medición de la tasa de expansión del universo.

Se espera que los futuros sondeos de alta resolución, como los previstos para el Observatorio Vera C. Rubin y el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman, encuentren miles de nuevos sistemas de lentes. Las tres lentes identificadas en este trabajo representan un "cuadrante inexplorado" de la población de lentes: aquellas con separaciones de subarcosegundo y altos desplazamientos al rojo de la lente. Estos objetivos serán candidatos principales para el seguimiento espectroscópico con el fin de confirmar sus composiciones químicas y su cinemática interna. A medida que el volumen de datos crezca de gigabytes a petabytes, el papel de la AGI en la clasificación y el modelado autónomo de estas complejas lentes gravitatorias se convertirá en una piedra angular de la astrofísica del siglo XXI.

Aspectos destacados de la investigación:

• Descubrimiento: Tres raros cuásares con cuádruple lente en desplazamientos al rojo de $z=1.5$ a $2.975$.
• Tecnología: Uso combinado de HST y JWST para obtener una resolución de subarcosegundo.
• Tipo de lente: Identificadas como galaxias masivas de tipo temprano con un índice de Sérsic $n \sim 4$.
• Importancia: Proporciona una sonda única sobre la distribución de la materia oscura y la Tensión de Hubble.

Próximos pasos: Los investigadores pretenden utilizar la técnica VODKA para identificar más sistemas de AGN duales, que son precursores de las fusiones de agujeros negros. Se espera que estas fusiones sean las fuentes más potentes de ondas gravitatorias en el universo, un campo que será explorado más a fondo por futuros detectores espaciales como LISA. Al perfeccionar nuestra comprensión de estas raras Cruces de Einstein hoy, los astrónomos están sentando las bases para la próxima década de descubrimientos cósmicos.