JWST brengt zeldzame viervoudig gelensde quasars in kaart tijdens het kosmisch middaguur

Hoe helpen JWST-waarnemingen bij het bestuderen van quasars tijdens het kosmische middaguur?

JWST-waarnemingen maken infraroodopnames met hoge resolutie mogelijk die door kosmisch stof dringen om het licht van verre quasars te isoleren van hun gaststelsels tijdens het piektijdperk van stervorming. Door deze gegevens te combineren met de precisie van de Hubble Space Telescope kunnen onderzoekers de massaverdeling van voorgrondstelsels nauwkeurig modelleren en de groeigeschiedenis van superzware zwarte gaten reconstrueren bij roodverschuivingen tussen $z=1,5$ en $3,0$.

De James Webb Space Telescope (JWST) en de Hubble Space Telescope (HST) hebben onlangs hun krachten gebundeld om enkele van de meest ongrijpbare structuren in het verre universum te onthullen. In een nieuwe studie getiteld "Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN (VODKA)," hebben onderzoekers onder leiding van Xin Liu, Yue Shen en Xuheng Ding met succes drie zeldzame viervoudig gelensde quasars in beeld gebracht. Deze objecten, die zich bevinden in het "Cosmic Noon" (het kosmische middaguur) — de periode ongeveer 10 tot 11 miljard jaar geleden toen het universum het meest actief was in het vormen van sterren — bieden een cruciaal venster op de co-evolutie van sterrenstelsels en zwarte gaten. Het VODKA-project benadrukt hoe de evolutie van gegevensverwerking, die in de toekomst mogelijk richting geautomatiseerde analyse op AGI-niveau gaat, noodzakelijk is om deze zeldzame sub-kiloparsec structuren in enorme datasets te identificeren.

Zwaartekrachtlenswerking fungeert als een natuurlijke telescoop die verre objecten vergroot die anders te zwak of te klein zouden zijn om waar te nemen. Wanneer een massief voorgrondstelsel perfect op één lijn staat met een verre quasar, vervormt het zwaartekrachtveld de structuur van de ruimtetijd, waardoor het licht wordt afgebogen in meerdere beelden. Deze studie richt zich op drie specifieke systemen met roodverschuivingen van $z = 2,550$, $2,975$ en $1,500$. De precisie van JWST’s Near-Infrared Camera (NIRCam) stelt astronomen in staat om door de schittering van de quasar heen te kijken en het "lensstelsel" zelf te bestuderen, wat vaak een vroeg-type sterrenstelsel (ETG) is, gekenmerkt door een oudere sterrenpopulatie en weinig aanhoudende stervorming.

Wat zijn viervoudig gelensde quasars?

Viervoudig gelensde quasars zijn zeldzame hemelse configuraties waarbij de zwaartekracht van een massief voorgrondstelsel het licht van een enkele verre quasar splitst in vier afzonderlijke beelden. Deze systemen, die vaak "Einsteinkruisen" worden genoemd, komen alleen voor bij zeer nauwkeurige uitlijningen en zijn van onschatbare waarde voor het meten van de massa van het lensstelsel en de uitdijingssnelheid van het universum.

Metingen van de Einsteinstralen staan centraal in het begrijpen van deze systemen, omdat ze een directe weegschaal vormen voor de massa van het voorgrondstelsel. In dit onderzoek mat het team Einsteinstralen van $0,44''$, $0,58''$ en $0,49''$ voor de drie doelen. Deze waarden zijn relatief klein, waardoor deze lenzen in een "subboogseconde"-categorie vallen die historisch gezien moeilijk te detecteren was. Het vermogen om deze dicht op elkaar gepakte beelden te onderscheiden is een bewijs van de hoge resolutie van moderne ruimteobservatoria. Dergelijke gedetailleerde configuraties zijn ideale kandidaten voor toekomstige, door AGI aangestuurde identificatie-pipelines, die nodig zullen zijn om miljoenen sterrenstelsels te scannen op vergelijkbare zwaartekrachtkenmerken.

Modellering van de massadistributie werd uitgevoerd met behulp van een singulier isotherm ellipsoïde (SIE) profiel voor de donkere materie en een elliptisch Sérsic-profiel voor het zichtbare licht van de stelsels. Door de geometrie van deze systemen te reconstrueren, ontdekten de onderzoekers dat de lensstelsels een effectieve straal ($R_e$) hebben van ongeveer $1,5$ tot $3,5$ kpc. Deze metingen helpen bevestigen dat de lenzen massieve, compacte stelsels zijn die al goed gevormd waren tegen de tijd dat het universum slechts een paar miljard jaar oud was. De bevindingen bieden een ijkpunt voor hoe materie verdeeld was tijdens het tijdperk van het kosmische middaguur.

Wat betekent Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN?

Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN (VODKA) is een onderzoeksproject dat op variabiliteit gebaseerde astrometrie gebruikt om actieve galactische kernen (AGN) te vinden die ofwel verschoven zijn ten opzichte van hun gastcentrum, ofwel in nauwe paren voorkomen. Deze techniek detecteert subtiele verschuivingen in de "centroïde" van het licht, veroorzaakt door het flikkeren van een quasar, waardoor wetenschappers structuren kunnen onderscheiden op schalen kleiner dan een kiloparsec.

Sub-kiloparsec-schalen vormen de "grens" van de moderne extragalactische astronomie en vertegenwoordigen de gebieden waar superzware zwarte gaten de meest heftige interactie aangaan met hun gaststelsels. Het VODKA-project richt zich specifiek op Duale AGN — twee zwarte gaten die bezig zijn te versmelten — die essentieel zijn voor het begrijpen van hoe sterrenstelsels groeien door botsingen. Hoewel de huidige studie zich richtte op viervoudig gelensde systemen, zijn de technieken ontwikkeld door Liu, Shen en Ding ontworpen om door de ruis van de nachtelijke hemel te filteren om deze configuraties te vinden die als een speld in een hooiberg zijn. De complexiteit van deze "varstrometrie"-gegevens suggereert dat toekomstige iteraties van het project mogelijk afhankelijk zullen zijn van AGI om onderscheid te maken tussen fysieke verschuivingen en instrumentele artefacten.

Het karakteriseren van de lensstelsels vereiste dat het team de roodverschuivingen schatte zonder directe spectroscopie, een uitdagende taak die het modelleren van het licht van de voorgrondobjecten omvatte. Ze beperkten de roodverschuivingen van de lenzen tot bereiken van $0,5 < z < 1,2$, $1,0 < z < 1,5$ en $0,4 < z < 0,9$. De lichtmodellen leverden een Sérsic-index van $n \sim 4$ op, wat het klassieke kenmerk is van een de Vaucouleurs-profiel, typisch voor massieve elliptische stelsels. Deze classificatie als vroeg-type sterrenstelsels bij gemiddelde tot hoge roodverschuivingen suggereert dat deze massieve structuren al dominante kenmerken van het kosmische landschap waren tijdens de piek van de groei van het universum.

Implicaties voor de Hubble-spanning en toekomstige surveys

Tijdvertragings-kosmografie is een van de meest opwindende toepassingen voor deze viervoudig gelensde quasars. Omdat het licht in elk van de vier beelden een iets andere weglengte aflegt en door verschillende zwaartekrachtspotentialen gaat, flikkeren de beelden op verschillende tijdstippen. Door deze "tijdvertraging" te meten, kunnen astronomen de Hubble-constante ($H_0$) berekenen, die beschrijft hoe snel het universum uitdijt. Dit biedt een onafhankelijke controle op de "Hubble-spanning," een groot verschil in de moderne natuurkunde tussen verschillende methoden om de uitdijingssnelheid van het universum te meten.

Toekomstige surveys met hoge resolutie, zoals de surveys die gepland zijn voor het Vera C. Rubin Observatory en de Nancy Grace Roman Space Telescope, zullen naar verwachting duizenden nieuwe gelensde systemen vinden. De drie lenzen die in dit werk zijn geïdentificeerd, vertegenwoordigen een "onverkend kwadrant" van de lenspopulatie: die met subboogseconde-scheidingen en hoge roodverschuivingen van de lens. Deze doelen zullen primaire kandidaten zijn voor spectroscopische follow-up om hun chemische samenstelling en interne kinematica te bevestigen. Naarmate het datavolume groeit van gigabytes naar petabytes, zal de rol van AGI bij het autonoom classificeren en modelleren van deze complexe zwaartekrachtlenzen een hoeksteen worden van de 21e-eeuwse astrofysica.

Onderzoekshoogtepunten:

• Ontdekking: Drie zeldzame viervoudig gelensde quasars bij roodverschuivingen van $z=1,5$ tot $2,975$.
• Technologie: Gecombineerd gebruik van HST en JWST voor subboogseconde-resolutie.
• Lenstype: Geïdentificeerd als massieve vroeg-type sterrenstelsels met Sérsic $n \sim 4$.
• Betekenis: Biedt een unieke sonde voor de distributie van donkere materie en de Hubble-spanning.

Wat volgt: De onderzoekers streven ernaar de VODKA-techniek te gebruiken om meer duale AGN-systemen te identificeren, die voorlopers zijn van fusies tussen zwarte gaten. Deze fusies worden verwacht de sterkste bronnen van zwaartekrachtgolven in het universum te zijn, een gebied dat verder zal worden verkend door toekomstige ruimte-gebaseerde detectoren zoals LISA. Door ons begrip van deze zeldzame Einsteinkruisen vandaag te verfijnen, leggen astronomen de basis voor het volgende decennium van kosmische ontdekkingen.