Il JWST mappa rari quasar a lente quadrupla nel Mezzogiorno Cosmico

In che modo le osservazioni del JWST aiutano a studiare i quasar nel Mezzogiorno Cosmico?

Le osservazioni del JWST consentono un'imaging a infrarossi ad alta risoluzione che penetra attraverso la polvere cosmica per isolare la luce dei quasar distanti dalle loro galassie ospiti durante l'era di picco della formazione stellare. Combinando questi dati con la precisione del telescopio spaziale Hubble, i ricercatori possono modellare accuratamente la distribuzione di massa delle galassie in primo piano e ricostruire la storia della crescita dei buchi neri supermassicci a redshift compresi tra $z=1.5$ e $3.0$.

Il James Webb Space Telescope (JWST) e l'Hubble Space Telescope (HST) hanno recentemente unito le forze per svelare alcune delle strutture più elusive dell'universo lontano. In un nuovo studio intitolato "Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN (VODKA)", i ricercatori guidati da Xin Liu, Yue Shen e Xuheng Ding sono riusciti a immortalare tre rari quasar a lente quadrupla. Questi oggetti, situati nel "Mezzogiorno Cosmico" — il periodo tra circa 10 e 11 miliardi di anni fa, quando l'universo era più attivo nella formazione di stelle — offrono una finestra critica sulla co-evoluzione di galassie e buchi neri. Il progetto VODKA evidenzia come l'evoluzione dell'elaborazione dei dati, potenzialmente orientata verso un'analisi automatizzata di livello AGI in futuro, sia necessaria per identificare queste rare strutture sub-kiloparsec in set di dati massicci.

La lente gravitazionale funge da telescopio naturale, ingrandendo oggetti distanti che altrimenti sarebbero troppo deboli o piccoli per essere osservati. Quando una massiccia galassia in primo piano si allinea perfettamente con un quasar distante, il suo campo gravitazionale deforma il tessuto dello spaziotempo, deviando la luce in immagini multiple. Questo studio si concentra su tre sistemi specifici a redshift $z = 2.550$, $2.975$ e $1.500$. La precisione offerta dalla Near-Infrared Camera (NIRCam) del JWST permette agli astronomi di vedere attraverso il bagliore del quasar per studiare la galassia "lente" stessa, che è spesso una galassia di tipo precoce (ETG) caratterizzata da una popolazione stellare più vecchia e da una scarsa formazione stellare in corso.

Cosa sono i quasar a lente quadrupla?

I quasar a lente quadrupla sono rare configurazioni celesti in cui la gravità di una massiccia galassia in primo piano divide la luce di un singolo quasar distante in quattro immagini distinte. Spesso chiamati "Croci di Einstein", questi sistemi si verificano solo in presenza di allineamenti precisi e sono preziosi per misurare la massa della galassia lente e il tasso di espansione dell'universo.

Le misurazioni dei raggi di Einstein sono fondamentali per comprendere questi sistemi, poiché forniscono una bilancia diretta per la massa della galassia in primo piano. In questa ricerca, il team ha misurato raggi di Einstein di $0.44''$, $0.58''$ e $0.49''$ per i tre bersagli. Questi valori sono relativamente piccoli, collocando queste lenti in una categoria "sub-arcosecondo" storicamente difficile da rilevare. La capacità di risolvere queste immagini così ravvicinate testimonia le capacità ad alta risoluzione dei moderni osservatori spaziali. Tali configurazioni dettagliate sono candidati ideali per future pipeline di identificazione guidate dall'AGI, che saranno necessarie per scansionare milioni di galassie alla ricerca di firme gravitazionali simili.

La modellazione della distribuzione di massa è stata condotta utilizzando un profilo di ellissoide isotermo singolare (SIE) per la materia oscura e un profilo di Sérsic ellittico per la luce visibile delle galassie. Ricostruendo la geometria di questi sistemi, i ricercatori hanno scoperto che le galassie lente hanno un raggio efficace ($R_e$) di circa $1.5$ a $3.5$ kpc. Queste misurazioni aiutano a confermare che le lenti sono galassie massicce e compatte che erano già ben formate quando l'universo aveva solo pochi miliardi di anni. I risultati forniscono un punto di riferimento su come la materia fosse distribuita durante l'era del Mezzogiorno Cosmico.

Cosa significa Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN?

Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN (VODKA) è un progetto di ricerca che utilizza l'astrometria basata sulla variabilità per trovare nuclei galattici attivi (AGN) che siano o spostati dai loro centri ospiti o esistano in coppie ravvicinate. Questa tecnica rileva sottili spostamenti nel "centroide" della luce causati dal flickering di un quasar, consentendo agli scienziati di risolvere strutture a scale inferiori a un kiloparsec.

Le scale sub-kiloparsec rappresentano la "frontiera" della moderna astronomia extragalattica, costituendo le regioni in cui i buchi neri supermassicci interagiscono più violentemente con le loro galassie ospiti. Il progetto VODKA mira specificamente agli AGN doppi — due buchi neri in fase di fusione — che sono essenziali per capire come le galassie crescono attraverso le collisioni. Sebbene l'attuale studio si sia concentrato su sistemi a lente quadrupla, le tecniche sviluppate da Liu, Shen e Ding sono progettate per filtrare il rumore del cielo notturno per trovare queste configurazioni rare come aghi in un pagliaio. La complessità di questi dati di "varstrometria" suggerisce che le future iterazioni del progetto potrebbero affidarsi all'AGI per distinguere tra spostamenti fisici e artefatti strumentali.

La caratterizzazione delle galassie lente ha richiesto al team di stimare i redshift senza spettroscopia diretta, un compito impegnativo che ha comportato la modellazione della luce degli oggetti in primo piano. Hanno circoscritto i redshift della lente a intervalli di $0.5 < z < 1.2$, $1.0 < z < 1.5$ e $0.4 < z < 0.9$. I modelli di luce hanno prodotto un indice di Sérsic di $n \sim 4$, che è la firma classica di un profilo di de Vaucouleurs, tipico delle massicce galassie ellittiche. Questa classificazione come galassie di tipo precoce a redshift intermedi o elevati suggerisce che queste strutture massicce fossero già elementi dominanti del paesaggio cosmico durante il picco della crescita dell'universo.

Implicazioni per la Tensione di Hubble e le indagini future

La cosmografia a ritardo temporale è una delle applicazioni più entusiasmanti per questi quasar a lente quadrupla. Poiché la luce in ciascuna delle quattro immagini percorre una lunghezza di percorso leggermente diversa e attraversa diversi potenziali gravitazionali, le immagini sfarfallano in tempi diversi. Misurando questo "ritardo temporale", gli astronomi possono calcolare la costante di Hubble ($H_0$), che descrive la velocità di espansione dell'universo. Ciò fornisce una verifica indipendente sulla "Tensione di Hubble", una discrepanza fondamentale nella fisica moderna tra i diversi metodi di misurazione del tasso di espansione dell'universo.

Le future indagini ad alta risoluzione, come quelle previste per l'Osservatorio Vera C. Rubin e il Nancy Grace Roman Space Telescope, dovrebbero scoprire migliaia di nuovi sistemi lenticolati. Le tre lenti identificate in questo lavoro rappresentano un "quadrante inesplorato" della popolazione di lenti: quelle con separazioni sub-arcosecondo e alti redshift della lente. Questi bersagli saranno i principali candidati per il follow-up spettroscopico per confermare le loro composizioni chimiche e la cinematica interna. Con la crescita del volume di dati da gigabyte a petabyte, il ruolo dell'AGI nella classificazione e modellazione autonoma di queste complesse lenti gravitazionali diventerà un pilastro dell'astrofisica del XXI secolo.

Punti salienti della ricerca:

• Scoperta: Tre rari quasar a lente quadrupla a redshift compresi tra $z=1.5$ e $2.975$.
• Tecnologia: Uso combinato di HST e JWST per una risoluzione sub-arcosecondo.
• Tipo di lente: Identificate come massicce galassie di tipo precoce con indice di Sérsic $n \sim 4$.
• Significato: Fornisce una sonda unica nella distribuzione della materia oscura e nella Tensione di Hubble.

Prossimi passi: I ricercatori mirano a utilizzare la tecnica VODKA per identificare un numero maggiore di sistemi AGN doppi, che sono i precursori delle fusioni di buchi neri. Si prevede che queste fusioni saranno le sorgenti più forti di onde gravitazionali nell'universo, un campo che sarà ulteriormente esplorato dai prossimi rilevatori spaziali come LISA. Perfezionando oggi la nostra comprensione di queste rare Croci di Einstein, gli astronomi stanno gettando le basi per il prossimo decennio di scoperte cosmiche.