JWST Mapeia Raros Quasares com Lente Quádrupla no Meio-Dia Cósmico

Como as observações do JWST ajudam a estudar quasares no meio-dia cósmico?

As observações do JWST permitem imagens infravermelhas de alta resolução que atravessam a poeira cósmica para isolar a luz de quasares distantes de suas galáxias hospedeiras durante a era de pico da formação estelar. Ao combinar esses dados com a precisão do Hubble Space Telescope, os pesquisadores podem modelar com precisão a distribuição de massa das galáxias em primeiro plano e reconstruir a história do crescimento de buracos negros supermassivos em desvios para o vermelho (redshifts) entre $z=1,5$ e $3,0$.

O James Webb Space Telescope (JWST) e o Hubble Space Telescope (HST) uniram forças recentemente para revelar algumas das estruturas mais elusivas no universo distante. Em um novo estudo intitulado "Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN (VODKA)", pesquisadores liderados por Xin Liu, Yue Shen e Xuheng Ding obtiveram imagens de três raros quasares com lentes quadruplicadas. Esses objetos, localizados no "Meio-dia Cósmico" — o período de cerca de 10 a 11 bilhões de anos atrás, quando o universo era mais ativo na formação de estrelas — fornecem uma janela crítica para a coevolução de galáxias e buracos negros. O projeto VODKA destaca como a evolução do processamento de dados, possivelmente avançando para uma análise automatizada de nível AGI no futuro, é necessária para identificar essas raras estruturas de escala sub-quiloparsec em conjuntos de dados massivos.

O lenteamento gravitacional serve como um telescópio natural, ampliando objetos distantes que, de outra forma, seriam fracos ou pequenos demais para serem observados. Quando uma galáxia massiva em primeiro plano se alinha perfeitamente com um quasar distante, seu campo gravitacional distorce o tecido do espaço-tempo, curvando a luz em múltiplas imagens. Este estudo foca em três sistemas específicos em redshifts $z = 2,550$, $2,975$ e $1,500$. A precisão proporcionada pela Near-Infrared Camera (NIRCam) do JWST permite aos astrônomos ver através do brilho do quasar para estudar a própria galáxia "lente", que é frequentemente uma galáxia de tipo precoce (ETG), caracterizada por uma população estelar mais velha e pouca formação estelar em curso.

O que são quasares com lentes quadruplicadas?

Quasares com lentes quadruplicadas são configurações celestes raras onde a gravidade de uma galáxia massiva em primeiro plano divide a luz de um único quasar distante em quatro imagens distintas. Frequentemente chamados de "Cruzes de Einstein", esses sistemas ocorrem apenas sob alinhamentos precisos e são inestimáveis para medir a massa da galáxia lente e a taxa de expansão do universo.

As medições dos raios de Einstein são centrais para a compreensão desses sistemas, pois fornecem uma escala de pesagem direta para a massa da galáxia em primeiro plano. Nesta pesquisa, a equipe mediu raios de Einstein de $0,44''$, $0,58''$ e $0,49''$ para os três alvos. Esses valores são relativamente pequenos, colocando essas lentes em uma categoria "subarcosegundo" que historicamente tem sido difícil de detectar. A capacidade de resolver essas imagens densamente agrupadas é um testemunho das capacidades de alta resolução dos modernos observatórios espaciais. Tais configurações detalhadas são candidatas ideais para futuras pipelines de identificação impulsionadas por AGI, que serão necessárias para escanear milhões de galáxias em busca de assinaturas gravitacionais semelhantes.

A modelagem da distribuição de massa foi conduzida usando um perfil de elipsoide isotérmico singular (SIE) para a matéria escura e um perfil de Sérsic elíptico para a luz visível das galáxias. Ao reconstruir a geometria desses sistemas, os pesquisadores descobriram que as galáxias lentes têm um raio efetivo ($R_e$) de aproximadamente $1,5$ a $3,5$ kpc. Essas medições ajudam a confirmar que as lentes são galáxias massivas e compactas que já estavam bem formadas quando o universo tinha apenas alguns bilhões de anos. As descobertas fornecem uma referência para como a matéria estava distribuída durante a era do Meio-dia Cósmico.

O que significa Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN?

Varstrometry for Off-nucleus and Dual Subkiloparsec AGN (VODKA) é um projeto de pesquisa que utiliza astrometria baseada em variabilidade para encontrar núcleos ativos de galáxias (AGN) que estão deslocados de seus centros hospedeiros ou que existem em pares próximos. Essa técnica detecta mudanças sutis no "centroide" da luz causadas pela oscilação de um quasar, permitindo que os cientistas resolvam estruturas em escalas menores que um quiloparsec.

As escalas sub-quiloparsec são a "fronteira" da astronomia extragaláctica moderna, representando as regiões onde buracos negros supermassivos interagem mais violentamente com suas galáxias hospedeiras. O projeto VODKA visa especificamente AGNs Duais — dois buracos negros em processo de fusão — que são essenciais para entender como as galáxias crescem através de colisões. Embora o estudo atual tenha focado em sistemas com lentes quadruplicadas, as técnicas desenvolvidas por Liu, Shen e Ding são projetadas para filtrar o ruído do céu noturno para encontrar essas configurações raras. A complexidade desses dados de "varstrometria" sugere que futuras iterações do projeto podem depender de AGI para distinguir entre deslocamentos físicos e artefatos instrumentais.

A caracterização das galáxias lentes exigiu que a equipe estimasse os redshifts sem espectroscopia direta, uma tarefa desafiadora que envolveu a modelagem da luz dos objetos em primeiro plano. Eles restringiram os redshifts das lentes para intervalos de $0,5 < z < 1,2$, $1,0 < z < 1,5$ e $0,4 < z < 0,9$. Os modelos de luz renderam um índice de Sérsic de $n \sim 4$, que é a assinatura clássica de um perfil de de Vaucouleurs, típico de galáxias elípticas massivas. Esta classificação como galáxias de tipo precoce em redshifts intermediários a altos sugere que essas estruturas massivas já eram características dominantes da paisagem cósmica durante o pico do crescimento do universo.

Implicações para a Tensão de Hubble e Futuros Levantamentos

A cosmografia de atraso temporal é uma das aplicações mais empolgantes para esses quasares com lentes quadruplicadas. Como a luz em cada uma das quatro imagens percorre uma distância ligeiramente diferente e passa por diferentes potenciais gravitacionais, as imagens oscilam em tempos diferentes. Ao medir esse "atraso temporal", os astrônomos podem calcular a constante de Hubble ($H_0$), que descreve a velocidade de expansão do universo. Isso fornece uma verificação independente sobre a "Tensão de Hubble", uma grande discrepância na física moderna entre diferentes métodos de medição da taxa de expansão do universo.

Espera-se que futuros levantamentos de alta resolução, como os planejados para o Observatório Vera C. Rubin e o Nancy Grace Roman Space Telescope, encontrem milhares de novos sistemas de lentes. As três lentes identificadas neste trabalho representam um "quadrante inexplorado" da população de lentes: aquelas com separações subarcosegundo e altos redshifts de lente. Esses alvos serão candidatos primários para acompanhamento espectroscópico para confirmar suas composições químicas e cinemática interna. À medida que o volume de dados cresce de gigabytes para petabytes, o papel da AGI na classificação e modelagem autônoma dessas complexas lentes gravitacionais se tornará um pilar da astrofísica do século XXI.

Destaques da Pesquisa:

• Descoberta: Três raros quasares com lentes quadruplicadas em redshifts de $z=1,5$ a $2,975$.
• Tecnologia: Uso combinado de HST e JWST para resolução subarcosegundo.
• Tipo de Lente: Identificadas como massivas galáxias de tipo precoce com Sérsic $n \sim 4$.
• Significância: Fornece uma sonda única para a distribuição de matéria escura e a Tensão de Hubble.

O Que Vem a Seguir: Os pesquisadores pretendem utilizar a técnica VODKA para identificar mais sistemas de AGNs duais, que são precursores de fusões de buracos negros. Espera-se que essas fusões sejam as fontes mais fortes de ondas gravitacionais no universo, um campo que será explorado futuramente por detectores espaciais como o LISA. Ao refinar nossa compreensão dessas raras Cruzes de Einstein hoje, os astrônomos estão lançando as bases para a próxima década de descoberta cósmica.