Kosmisk teleskop zoomer ind på tidens begyndelse

Observationer fra Gemini Observatory identificerer et nøglefingeraftryk af en ekstremt fjern kvasar, giver astronomer mulighed for at prøve lys udsendt fra tidernes morgen. Astronomer fik dette dybe indblik i rum og tid takket være en umærkelig forgrundsgalakse, der fungerer som en gravitationslinse, som forstørrede kvasarens ældgamle lys. Gemini-observationerne giver kritiske brikker i puslespillet til at bekræfte dette objekt som den mest lysende kvasar så tidligt i universets historie, vækker håb om, at flere kilder som denne vil blive fundet.

Før kosmos nåede sin milliardårs fødselsdag, noget af det allerførste kosmiske lys begyndte en lang rejse gennem det ekspanderende univers. En særlig lysstråle, fra en energikilde kaldet en kvasar, passerede serendipitært nær en mellemliggende galakse, hvis tyngdekraft bøjede og forstørrede kvasarens lys og omfokuserede det i vores retning, giver teleskoper som Gemini North mulighed for at sondere kvasaren i detaljer.

"Hvis det ikke var for dette provisoriske kosmiske teleskop, kvasarens lys ville virke omkring 50 gange svagere, " sagde Xiaohui Fan fra University of Arizona, der ledede undersøgelsen. "Denne opdagelse demonstrerer, at der eksisterer stærkt gravitationslinsede kvasarer på trods af, at vi har ledt i over 20 år og ikke har fundet andre så langt tilbage i tiden."

Gemini-observationerne gav nøglebrikker i puslespillet ved at udfylde et kritisk hul i dataene. Gemini North-teleskopet på Maunakea, Hawaii, brugte Gemini Near-InfraRed Spectrograph (GNIRS) til at dissekere et betydeligt skår af den infrarøde del af lysets spektrum. Gemini-dataene indeholdt den afslørende signatur af magnesium, som er afgørende for at bestemme, hvor langt tilbage i tiden vi kigger. Gemini-observationerne førte også til en bestemmelse af massen af ​​det sorte hul, der driver kvasaren. "Da vi kombinerede Gemini-dataene med observationer fra flere observatorier på Maunakea, Hubble-rumteleskopet, og andre observatorier rundt om i verden, vi var i stand til at male et komplet billede af kvasaren og den mellemliggende galakse, " sagde Feige Wang fra University of California, Santa Barbara, som er medlem af opdagelsesholdet.

Det billede afslører, at kvasaren er placeret ekstremt langt tilbage i tid og rum - kort efter det, der er kendt som reioniseringsepoken - da det allerførste lys dukkede op fra Big Bang. "Dette er en af ​​de første kilder til at skinne, da universet dukkede op fra den kosmiske mørke middelalder, " sagde Jinyi Yang fra University of Arizona, et andet medlem af opdagelsesholdet. "Før dette, ingen stjerner, kvasarer, eller galakser var blevet dannet, indtil genstande som denne dukkede op som stearinlys i mørket."

Forgrundsgalaksen, der forbedrer vores syn på kvasaren, er særligt svag, hvilket er yderst tilfældigt. "Hvis denne galakse var meget lysere, vi ville ikke have været i stand til at skelne det fra kvasaren, " forklarede Fan, tilføjer, at denne opdagelse vil ændre den måde, astronomer leder efter linsebaserede kvasarer på i fremtiden og kan øge antallet af linsebaserede kvasarer betydeligt. Imidlertid, som fan foreslog, "Vi forventer ikke at finde mange kvasarer, der er lysere end denne i hele det observerbare univers."

Quasarens intense glans, kendt som J0439+1634 (forkortet J0439+1634), antyder også, at det er drevet af et supermassivt sort hul i hjertet af en ung galakse. Det brede udseende af magnesiumfingeraftrykket, der blev fanget af Gemini, gjorde det også muligt for astronomer at måle massen af ​​kvasarens supermassive sorte hul på 700 millioner gange Solens. Det supermassive sorte hul er højst sandsynligt omgivet af en betydelig fladtrykt skive af støv og gas. Denne torus af stof - kendt som en tilvækstskive - spirerer højst sandsynligt konstant indad for at fodre det sorte huls kraftcenter. Observationer ved submillimeter-bølgelængder med James Clerk Maxwell-teleskopet på Maunakea tyder på, at det sorte hul ikke kun samler gas, men kan udløse stjernefødsel med en enorm hastighed - som ser ud til at være op til 10, 000 stjerner om året; til sammenligning, vores Mælkevejsgalakse laver en stjerne om året. Imidlertid, på grund af den forstærkende effekt af gravitationslinser, den faktiske hastighed for stjernedannelse kunne være meget lavere.

Kvasarer er ekstremt energiske kilder drevet af enorme sorte huller, der menes at have opholdt sig i de allerførste galakser, der blev dannet i universet. På grund af deres lysstyrke og afstand, kvasarer giver et unikt indblik i forholdene i det tidlige univers. Denne kvasar har en rødforskydning på 6,51, hvilket svarer til en afstand på 12,8 milliarder lysår, og ser ud til at skinne med et kombineret lys på omkring 600 billioner sole, forstærket af gravitationslinseforstørrelsen. Forgrundsgalaksen, der bøjede kvasarens lys, er omkring halvdelen af ​​den afstand væk, kun 6 milliarder lysår fra os.

Fans hold valgte J0439+1634 som en meget fjern kvasar-kandidat baseret på optiske data fra flere kilder:Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System1 (Pan-STARRS1; drevet af University of Hawaii's Institute for Astronomy), Det Forenede Kongerige Infra-Red Telescope Hemisphere Survey (gennemført på Maunakea, Hawaii), og NASA's Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) rumteleskoparkiv.

De første opfølgende spektroskopiske observationer, udført ved Multi-Mirror Telescope i Arizona, bekræftede objektet som en højrødforskydende kvasar. Efterfølgende observationer med Gemini North og Keck I teleskoperne i Hawaii bekræftede MMT's fund, og førte til Geminis opdagelse af det afgørende magnesium-fingeraftryk - nøglen til at fastgøre kvasarens fantastiske afstand. Imidlertid, linsegalaksen i forgrunden og kvasaren virker så tæt på, at det er umuligt at adskille dem med billeder taget fra jorden på grund af sløring af Jordens atmosfære. Det krævede de udsøgt skarpe billeder fra Hubble-rumteleskopet for at afsløre, at kvasarbilledet er opdelt i tre komponenter af en galakse med svag linse.

Kvasaren er moden til fremtidig undersøgelse. Astronomer planlægger også at bruge Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, og til sidst NASAs James Webb-rumteleskop, at se inden for 150 lysår fra det sorte hul og direkte detektere tyngdekraftens indflydelse fra sort hul på gasbevægelse og stjernedannelse i dets nærhed. Eventuelle fremtidige opdagelser af meget fjerne kvasarer som J0439+1634 vil fortsætte med at lære astronomer om det kemiske miljø og væksten af ​​massive sorte huller i vores tidlige univers.

Undersøgelsen er beskrevet i en præsentation på det 233. møde i American Astronomical Society i Seattle, Washington og offentliggjort i The Astrofysiske tidsskriftsbreve .