Astronomer finder kosmisk guldnål begravet i to årtier

Fast besluttet på at finde en nål i en kosmisk høstak, et par astronomer rejste tiden gennem arkiver af gamle data fra W. M. Keck Observatory på Mauankea på Hawaii og gamle røntgendata fra NASAs Chandra X-ray Observatory for at låse op for et mysterium omkring en lys, linse, stærkt tilsløret kvasar.

Dette himmellegeme, som er en aktiv galakse, der udsender enorme mængder energi på grund af et sort hul, der fortærer materiale, er et spændende objekt i sig selv. At finde en, der er gravitationslinser, få det til at se lysere og større ud, er usædvanligt spændende. Mens lidt over 200 linsede utilslørede kvasarer i øjeblikket er kendt, antallet af opdagede slørede kvasarer er i enkeltcifre. Dette skyldes, at det fødende sorte hul rører gas og støv op, skjuler kvasaren og gør den vanskelig at opdage i synlige lysundersøgelser.

Forskerne afslørede ikke kun en kvasar af denne type, de fandt ud af, at objektet tilfældigvis var den første opdagede Einstein-ring, navngivet MG 1131+0456, som blev observeret i 1987 med Very Large Array-netværket af radioteleskoper i New Mexico. Bemærkelsesværdigt, selvom det er bredt studeret, kvasarens afstand eller rødforskydning forblev et spørgsmålstegn.

"Når vi gravede dybere, vi var overraskede over, at en så berømt og lys kilde aldrig havde målt en afstand til den, sagde Daniel Stern, seniorforsker ved NASAs Jet Propulsion Laboratory og forfatter til undersøgelsen. "At have en distance er et nødvendigt første skridt for alle mulige yderligere undersøgelser, såsom at bruge linsen som et værktøj til at måle universets ekspansionshistorie og som en sonde for mørkt stof."

Stern og medforfatter Dominic Walton, en STFC Ernest Rutherford Fellow ved University of Cambridge's Institute of Astronomy (UK), er de første til at beregne kvasarens afstand, som er 10 milliarder lysår væk (eller en rødforskydning på z =1,849).

Resultatet er offentliggjort i dagens udgave af Astrofysiske tidsskriftsbreve .

"Hele denne avis var lidt nostalgisk for mig, få mig til at se på papirer fra de tidlige dage af min karriere, da jeg stadig gik på efterskole. Berlinmuren var stadig oppe, da denne Einstein-ring først blev opdaget, og alle data præsenteret i vores papir er fra det sidste årtusinde, sagde Stern.

Metodik

På tidspunktet for deres forskning, teleskoper rundt om på planeten blev lukket på grund af coronavirus-pandemien (Keck Observatory er siden genåbnet den 16. maj); Stern og Walton udnyttede deres længere tid hjemme til kreativt at holde videnskaben i gang ved at finkæmme data fra NASAs Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) for at søge efter gravitationslinser, stærkt tilslørede kvasarer. Mens støv skjuler de fleste aktive galakser i undersøgelser af synligt lys, at sløring af støv gør sådanne kilder meget lyse i infrarøde undersøgelser, som leveret af WISE.

Selvom kvasarer ofte er ekstremt langt væk, astronomer kan detektere dem gennem gravitationslinser, et fænomen, der fungerer som naturens forstørrelsesglas. Dette sker, når en galakse tættere på Jorden fungerer som en linse og får kvasaren bagved til at se ekstra lys ud. Tyngdefeltet i den tættere galakse fordrejer selve rummet, bøjning og forstærkning af kvasarens lys i baggrunden. Hvis justeringen er helt rigtig, dette skaber en cirkel af lys kaldet en Einstein-ring, forudsagt af Albert Einstein i 1936. Mere typisk, gravitationslinser vil få flere billeder af baggrundsobjektet til at dukke op omkring forgrundsobjektet.

Da Stern og Walton genopdagede MG 1131+0456 med WISE og indså, at dens afstand forblev et mysterium, de finkæmmede omhyggeligt gamle data fra Keck Observatory Archive (KOA) og fandt, at Observatoriet observerede kvasaren syv gange mellem 1997 og 2007 ved hjælp af Low Resolution Imaging Spectrometer (LRIS) på Keck I-teleskopet, samt Near-Infrared Spectrograph (NIRSPEC) og Echellette Spectrograph and Imager (ESI) på Keck II-teleskopet.

"Vi var i stand til at udtrække afstanden fra Kecks tidligste datasæt, taget i marts 1997, i observatoriets tidlige år, " sagde Walton. "Vi er Keck og NASA taknemmelige for deres samarbejde om at gøre mere end 25 års Keck-data offentligt tilgængelige for verden. Vores papir ville ikke have været muligt uden det."

Holdet analyserede også NASAs arkivdata fra Chandra X-ray Observatory i 2000, i det første år efter missionens lancering.

Næste skridt

Med MG 1131+0456's afstand nu kendt, Walton og Stern var i stand til at bestemme massen af ​​den linsede galakse med udsøgt præcision og bruge Chandra-dataene til robust at bekræfte kvasarens tilslørede natur, præcist at bestemme, hvor meget mellemliggende gas der ligger mellem os og dets lysende centrale områder.

"Vi kan nu fuldt ud beskrive det unikke, tilfældig geometri af denne Einstein-ring, " sagde Stern. "Dette giver os mulighed for at lave opfølgende undersøgelser, såsom at bruge det snart lancerede James Webb-rumteleskop til at studere egenskaberne for mørkt stof i linsegalaksen."

"Vores næste skridt er at finde linsede kvasarer, der er endnu mere skjult end MG 1131+0456, " sagde Walton. "At finde de nåle bliver endnu sværere, men de er derude og venter på at blive opdaget. Disse kosmiske perler kan give os en dybere forståelse af universet, herunder yderligere indsigt i, hvordan supermassive sorte huller vokser og påvirker deres omgivelser, " siger Walton.