JWST mapuje rzadkie, czterokrotnie soczewkowane kwazary z okresu Kosmicznego Południa

W jaki sposób obserwacje JWST pomagają w badaniu kwazarów w dobie kosmicznego południa?

Obserwacje JWST umożliwiają obrazowanie w podczerwieni o wysokiej rozdzielczości, które przenika przez kosmiczny pył, aby wyizolować światło odległych kwazarów od ich galaktyk macierzystych podczas szczytowej ery formowania się gwiazd. Łącząc te dane z precyzją Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, badacze mogą dokładnie modelować rozkład masy galaktyk pierwszego planu i rekonstruować historię wzrostu supermasywnych czarnych dziur przy przesunięciach ku czerwieni między $z=1.5$ a $3.0$.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) oraz Kosmiczny Teleskop Hubble’a (HST) połączyły niedawno siły, aby odkryć jedne z najbardziej nieuchwytnych struktur w odległym wszechświecie. W nowym badaniu zatytułowanym „Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN (VODKA)”, zespół naukowców pod kierownictwem Xin Liu, Yue Shen i Xuheng Ding z powodzeniem zobrazował trzy rzadkie kwazary o poczwórnym soczewkowaniu. Obiekty te, znajdujące się w dobie „Kosmicznego Południa” – okresie sprzed około 10–11 miliardów lat, kiedy wszechświat był najbardziej aktywny pod względem formowania gwiazd – stanowią kluczowe okno na koewolucję galaktyk i czarnych dziur. Projekt VODKA podkreśla, jak ewolucja przetwarzania danych, potencjalnie zmierzająca w stronę zautomatyzowanej analizy na poziomie AGI w przyszłości, jest niezbędna do identyfikacji tych rzadkich struktur o skali subkiloparsekowej w ogromnych zbiorach danych.

Soczewkowanie grawitacyjne służy jako naturalny teleskop, powiększając odległe obiekty, które inaczej byłyby zbyt słabe lub małe, by można było je zaobserwować. Gdy masywna galaktyka na pierwszym planie ustawi się idealnie w linii z odległym kwazarem, jej pole grawitacyjne zagina czasoprzestrzeń, zakrzywiając światło w wiele obrazów. Badanie to koncentruje się na trzech konkretnych układach przy przesunięciach ku czerwieni $z = 2.550$, $2.975$ oraz $1.500$. Precyzja zapewniana przez kamerę bliskiej podczerwieni JWST (NIRCam) pozwala astronomom zajrzeć przez blask kwazara, aby zbadać samą galaktykę „soczewkującą”, która często jest galaktyką wczesnego typu (ETG), charakteryzującą się starszą populacją gwiazd i niewielką trwającą aktywnością gwiazdotwórczą.

Czym są kwazary o poczwórnym soczewkowaniu?

Kwazary o poczwórnym soczewkowaniu to rzadkie konfiguracje niebieskie, w których grawitacja masywnej galaktyki pierwszego planu rozdziela światło pojedynczego, odległego kwazara na cztery oddzielne obrazy. Układy te, często nazywane „Krzyżami Einsteina”, występują tylko przy precyzyjnym ustawieniu w jednej linii i są niezwykle cenne dla pomiaru masy galaktyki soczewkującej oraz tempa ekspansji wszechświata.

Pomiary promieni Einsteina są kluczowe dla zrozumienia tych układów, ponieważ stanowią bezpośrednią skalę wagową dla masy galaktyki pierwszego planu. W tym badaniu zespół zmierzył promienie Einsteina wynoszące $0.44''$, $0.58''$ oraz $0.49''$ dla trzech celów. Wartości te są stosunkowo małe, co plasuje te soczewki w kategorii „subsekundowej”, która historycznie była trudna do wykrycia. Zdolność do rozdzielenia tych ciasno upakowanych obrazów jest świadectwem wysokiej rozdzielczości nowoczesnych obserwatoriów kosmicznych. Takie szczegółowe konfiguracje są idealnymi kandydatami do przyszłych potoków identyfikacyjnych opartych na AGI, które będą wymagane do przeskanowania milionów galaktyk w poszukiwaniu podobnych sygnatur grawitacyjnych.

Modelowanie rozkładu masy przeprowadzono przy użyciu profilu osobliwej izotermicznej elipsoidy (SIE) dla ciemnej materii oraz eliptycznego profilu Sérsica dla światła widzialnego galaktyk. Rekonstruując geometrię tych układów, badacze ustalili, że galaktyki soczewkujące mają promień efektywny ($R_e$) wynoszący około $1.5$ do $3.5$ kpc. Pomiary te pomagają potwierdzić, że soczewki są masywnymi, zwartymi galaktykami, które były już dobrze uformowane w czasie, gdy wszechświat miał zaledwie kilka miliardów lat. Odkrycia te stanowią punkt odniesienia dla tego, jak materia była rozłożona w erze Kosmicznego Południa.

Co oznacza termin Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN?

Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN (VODKA) to projekt badawczy wykorzystujący astrometrię opartą na zmienności do wyszukiwania aktywnych jąder galaktyk (AGN), które są przesunięte względem centrów swoich macierzystych galaktyk lub istnieją w bliskich parach. Technika ta wykrywa subtelne przesunięcia w „centroidzie” światła wywołane migotaniem kwazara, co pozwala naukowcom rozróżniać struktury w skalach mniejszych niż kiloparsek.

Skale subkiloparsekowe to „pogranicze” nowoczesnej astronomii pozagalaktycznej, reprezentujące regiony, w których supermasywne czarne dziury najintensywniej oddziałują ze swoimi galaktykami macierzystymi. Projekt VODKA bierze na cel w szczególności podwójne AGN – dwie czarne dziury w procesie łączenia się – które są niezbędne do zrozumienia, jak galaktyki rosną poprzez kolizje. Choć obecne badanie koncentrowało się na układach o poczwórnym soczewkowaniu, techniki opracowane przez Liu, Shen i Ding zostały zaprojektowane tak, aby przefiltrować szum nocnego nieba i odnaleźć te niezwykle rzadkie konfiguracje. Złożoność danych z tej „varstrometrii” sugeruje, że przyszłe iteracje projektu mogą opierać się na AGI w celu odróżnienia fizycznych przesunięć od artefaktów instrumentalnych.

Charakterystyka galaktyk soczewkujących wymagała od zespołu oszacowania przesunięć ku czerwieni bez bezpośredniej spektroskopii, co było trudnym zadaniem obejmującym modelowanie światła obiektów pierwszego planu. Ograniczyli oni przesunięcia ku czerwieni soczewek do zakresów $0.5 < z < 1.2$, $1.0 < z < 1.5$ oraz $0.4 < z < 0.9$. Modele światła przyniosły indeks Sérsica $n \sim 4$, co jest klasyczną sygnaturą profilu de Vaucouleursa, typową dla masywnych galaktyk eliptycznych. Klasyfikacja ta jako galaktyki wczesnego typu przy średnich i wysokich przesunięciach ku czerwieni sugeruje, że te masywne struktury były już dominującymi elementami kosmicznego krajobrazu podczas szczytu wzrostu wszechświata.

Implikacje dla napięcia Hubble’a i przyszłych przeglądów nieba

Kosmografia opóźnienia czasowego jest jednym z najbardziej ekscytujących zastosowań dla tych kwazarów o poczwórnym soczewkowaniu. Ponieważ światło w każdym z czterech obrazów pokonuje nieco inną drogę i przechodzi przez różne potencjały grawitacyjne, obrazy migoczą w różnym czasie. Mierząc to „opóźnienie czasowe”, astronomowie mogą obliczyć stałą Hubble’a ($H_0$), która opisuje szybkość rozszerzania się wszechświata. Stanowi to niezależne sprawdzenie „napięcia Hubble’a”, czyli istotnej rozbieżności we współczesnej fizyce między różnymi metodami pomiaru tempa ekspansji wszechświata.

Oczekuje się, że przyszłe przeglądy o wysokiej rozdzielczości, takie jak te planowane dla Obserwatorium im. Very C. Rubin oraz Kosmicznego Teleskopu Nancy Grace Roman, pozwolą na znalezienie tysięcy nowych układów soczewkowanych. Trzy soczewki zidentyfikowane w tej pracy reprezentują „niezbadany kwadrant” populacji soczewek: te o subsekundowych separacjach i wysokich przesunięciach ku czerwieni soczewki. Cele te będą głównymi kandydatami do uzupełniających badań spektroskopowych w celu potwierdzenia ich składu chemicznego i wewnętrznej kinematyki. W miarę jak objętość danych będzie rosła z gigabajtów do petabajtów, rola AGI w autonomicznym klasyfikowaniu i modelowaniu tych złożonych soczewek grawitacyjnych stanie się filarem astrofizyki XXI wieku.

Najważniejsze punkty badania:

• Odkrycie: Trzy rzadkie kwazary o poczwórnym soczewkowaniu przy przesunięciach ku czerwieni od $z=1.5$ do $2.975$.
• Technologia: Połączone wykorzystanie HST i JWST dla uzyskania rozdzielczości subsekundowej.
• Typ soczewki: Zidentyfikowane jako masywne galaktyki wczesnego typu z indeksem Sérsica $n \sim 4$.
• Znaczenie: Zapewnia unikalne narzędzie do badania rozkładu ciemnej materii i napięcia Hubble’a.

Co dalej: Naukowcy zamierzają wykorzystać technikę VODKA do identyfikacji większej liczby układów podwójnych AGN, które są prekursorami łączenia się czarnych dziur. Oczekuje się, że te połączenia będą najsilniejszymi źródłami fal grawitacyjnych we wszechświecie, co będzie dalej badane przez nadchodzące detektory kosmiczne, takie jak LISA. Doskonaląc dziś naszą wiedzę na temat tych rzadkich Krzyży Einsteina, astronomowie kładą podwaliny pod następną dekadę kosmicznych odkryć.