Le JWST cartographie de rares quasars à quadruple lentille au Midi Cosmique

Comment les observations du JWST aident-elles à étudier les quasars au midi cosmique ?

Les observations du JWST permettent une imagerie infrarouge à haute résolution qui traverse la poussière cosmique pour isoler la lumière des quasars lointains de leurs galaxies hôtes durant l'ère de pointe de la formation d'étoiles. En combinant ces données avec la précision du télescope spatial Hubble, les chercheurs peuvent modéliser avec précision la distribution de masse des galaxies d'avant-plan et reconstruire l'historique de croissance des trous noirs supermassifs à des décalages vers le rouge (redshifts) compris entre $z=1,5$ et $3,0$.

Le James Webb Space Telescope (JWST) et le Hubble Space Telescope (HST) ont récemment joint leurs forces pour découvrir certaines des structures les plus insaisissables de l'univers lointain. Dans une nouvelle étude intitulée « Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN (VODKA) », des chercheurs dirigés par Xin Liu, Yue Shen et Xuheng Ding ont réussi à imager trois rares quasars à quadruple lentille. Ces objets, situés au « Midi Cosmique » — la période il y a environ 10 à 11 milliards d'années où l'univers était le plus actif dans la formation d'étoiles — offrent une fenêtre critique sur la co-évolution des galaxies et des trous noirs. Le projet VODKA souligne comment l'évolution du traitement des données, s'orientant potentiellement vers une analyse automatisée de niveau IAG (intelligence artificielle générale) à l'avenir, est nécessaire pour identifier ces rares structures à l'échelle sous-kiloparsec dans des ensembles de données massifs.

Le lentillage gravitationnel sert de télescope naturel, magnifiant des objets lointains qui seraient autrement trop faibles ou trop petits pour être observés. Lorsqu'une galaxie massive d'avant-plan s'aligne parfaitement avec un quasar lointain, son champ gravitationnel déforme le tissu de l'espace-temps, pliant la lumière en plusieurs images. Cette étude se concentre sur trois systèmes spécifiques à des redshifts de $z = 2,550$, $2,975$ et $1,500$. La précision offerte par la caméra proche infrarouge du JWST (NIRCam) permet aux astronomes de voir à travers l'éclat du quasar pour étudier la galaxie « lentille » elle-même, qui est souvent une galaxie de type précoce (ETG) caractérisée par une population stellaire ancienne et peu de formation d'étoiles en cours.

Que sont les quasars à quadruple lentille ?

Les quasars à quadruple lentille sont des configurations célestes rares où la gravité d'une galaxie massive d'avant-plan divise la lumière d'un seul quasar lointain en quatre images distinctes. Souvent appelés « croix d'Einstein », ces systèmes ne se produisent que lors d'alignements précis et sont inestimables pour mesurer la masse de la galaxie lentille et le taux d'expansion de l'univers.

Les mesures des rayons d'Einstein sont au cœur de la compréhension de ces systèmes, car elles fournissent une balance directe pour peser la masse de la galaxie d'avant-plan. Dans cette recherche, l'équipe a mesuré des rayons d'Einstein de $0,44''$, $0,58''$ et $0,49''$ pour les trois cibles. Ces valeurs sont relativement faibles, classant ces lentilles dans une catégorie « subarcseconde » historiquement difficile à détecter. La capacité à résoudre ces images étroitement groupées témoigne des capacités de haute résolution des observatoires spatiaux modernes. De telles configurations détaillées sont des candidates idéales pour de futurs pipelines d'identification pilotés par l'IAG, qui seront nécessaires pour scanner des millions de galaxies à la recherche de signatures gravitationnelles similaires.

La modélisation de la distribution de masse a été réalisée à l'aide d'un profil d'ellipsoïde isotherme singulier (SIE) pour la matière noire et d'un profil de Sérsic elliptique pour la lumière visible des galaxies. En reconstruisant la géométrie de ces systèmes, les chercheurs ont découvert que les galaxies lentilles ont un rayon effectif ($R_e$) d'environ $1,5$ à $3,5$ kpc. Ces mesures aident à confirmer que les lentilles sont des galaxies massives et compactes qui étaient déjà bien formées lorsque l'univers n'avait que quelques milliards d'années. Ces découvertes fournissent une référence sur la manière dont la matière était distribuée durant l'ère du Midi Cosmique.

Que signifie « Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN » ?

Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN (VODKA) est un projet de recherche qui utilise l'astrométrie basée sur la variabilité pour trouver des noyaux actifs de galaxie (NAG) qui sont soit décalés par rapport au centre de leur hôte, soit présents en paires rapprochées. Cette technique détecte des changements subtils dans le « centroïde » de la lumière causés par le scintillement d'un quasar, permettant aux scientifiques de résoudre des structures à des échelles inférieures au kiloparsec.

Les échelles sous-kiloparsec sont la « frontière » de l'astronomie extragalactique moderne, représentant les régions où les trous noirs supermassifs interagissent le plus violemment avec leurs galaxies hôtes. Le projet VODKA cible spécifiquement les NAG doubles — deux trous noirs en cours de fusion — qui sont essentiels pour comprendre comment les galaxies croissent par collisions. Bien que l'étude actuelle se soit concentrée sur les systèmes à quadruple lentille, les techniques développées par Liu, Shen et Ding sont conçues pour filtrer le bruit du ciel nocturne afin de trouver ces configurations rares comme des aiguilles dans une botte de foin. La complexité de ces données de « varstrométrie » suggère que les futures itérations du projet pourraient s'appuyer sur l'IAG pour distinguer les décalages physiques des artefacts instrumentaux.

Caractériser les galaxies lentilles a nécessité que l'équipe estime les redshifts sans spectroscopie directe, une tâche difficile qui impliquait de modéliser la lumière des objets d'avant-plan. Ils ont contraint les redshifts des lentilles dans des plages de $0,5 < z < 1,2$, $1,0 < z < 1,5$ et $0,4 < z < 0,9$. Les modèles de lumière ont produit un indice de Sérsic de $n \sim 4$, qui est la signature classique d'un profil de de Vaucouleurs, typique des galaxies elliptiques massives. Cette classification en tant que galaxies de type précoce à des redshifts intermédiaires à élevés suggère que ces structures massives étaient déjà des caractéristiques dominantes du paysage cosmique durant le pic de croissance de l'univers.

Implications pour la tension de Hubble et les futurs relevés

La cosmographie à retard temporel est l'une des applications les plus passionnantes pour ces quasars à quadruple lentille. Parce que la lumière dans chacune des quatre images parcourt une longueur de trajet légèrement différente et traverse des potentiels gravitationnels différents, les images scintillent à des moments différents. En mesurant ce « retard temporel », les astronomes peuvent calculer la constante de Hubble ($H_0$), qui décrit la vitesse à laquelle l'univers s'étire. Cela fournit une vérification indépendante de la « tension de Hubble », une divergence majeure de la physique moderne entre les différentes méthodes de mesure du taux d'expansion de l'univers.

Les futurs relevés à haute résolution, tels que ceux prévus pour l'Observatoire Vera C. Rubin et le télescope spatial Nancy Grace Roman, devraient permettre de trouver des milliers de nouveaux systèmes lentillés. Les trois lentilles identifiées dans ce travail représentent un « quadrant inexploré » de la population de lentilles : celles avec des séparations subarcsecondes et des redshifts de lentille élevés. Ces cibles seront des candidates privilégiées pour un suivi spectroscopique afin de confirmer leurs compositions chimiques et leur cinématique interne. À mesure que le volume de données passera de gigaoctets à pétaoctets, le rôle de l'IAG dans la classification et la modélisation autonome de ces lentilles gravitationnelles complexes deviendra une pierre angulaire de l'astrophysique du XXIe siècle.

Points forts de la recherche :

• Découverte : Trois rares quasars à quadruple lentille à des redshifts de $z=1,5$ à $2,975$.
• Technologie : Utilisation combinée de l'HST et du JWST pour une résolution subarcseconde.
• Type de lentille : Identifiées comme des galaxies de type précoce massives avec un indice de Sérsic $n \sim 4$.
• Importance : Fournit une sonde unique de la distribution de la matière noire et de la tension de Hubble.

Et après : Les chercheurs visent à utiliser la technique VODKA pour identifier davantage de systèmes de NAG doubles, qui sont les précurseurs des fusions de trous noirs. Ces fusions devraient être les sources d'ondes gravitationnelles les plus puissantes de l'univers, un domaine qui sera exploré plus en détail par les futurs détecteurs spatiaux comme LISA. En affinant notre compréhension de ces rares croix d'Einstein aujourd'hui, les astronomes jettent les bases de la prochaine décennie de découvertes cosmiques.