Billedkredit: ESO
Astronomer fra det europæiske sydlige observatorium har fundet en meget sjælden "Einstein-ring" -gravitationslinse, hvor lyset fra et fjernt kvasar vrides og forstørres af tyngdekraften i en tættere galakse. De to objekter er så tæt på linje, at billedet af kvasaren danner en ring omkring galaksen fra vores udsigtspunkt her på Jorden. Med omhyggelige målinger var teamet i stand til at bestemme, at kvasaren er 6,3 milliarder lysår væk, og galaksen er kun 3,5 milliarder lysår væk, hvilket gør den til den nærmeste tyngdekraftslinse nogensinde opdaget.
Ved hjælp af ESO-3,6 m-teleskopet i La Silla (Chile) har et internationalt team af astronomer [1] opdaget et komplekst kosmisk mirage i den sydlige stjernebillede krater (The Cup). Dette "gravitationslinse" -system består af (mindst) fire billeder af den samme kvasar samt et ringformet billede af den galakse, hvor kvasaren befinder sig - kendt som en "Einsteinring". Den mere nærliggende linsegalakse, der forårsager denne spændende optiske illusion, er også godt synlig.
Holdet opnåede spektre af disse genstande med det nye EMMI-kamera monteret på ESO 3,5-m New Technology Telescope (NTT), også på La Silla-observatoriet. De finder ud af, at den linsede kvasar [2] er placeret i en afstand af 6.300 millioner lysår (dens "rødskift" er z = 0,66 [3]), mens den linsende elliptiske galakse er groft halvvejs mellem kvasaren og os på afstand på 3.500 millioner lysår (z = 0,3).
Systemet er blevet betegnet RXS J1131-1231 - det er den nærmeste gravitationslinsede kvasar opdaget indtil videre.
Kosmiske mirages
Det fysiske princip bag en "gravitationslinse" (også kendt som en "kosmisk spejling") er blevet kendt siden 1916 som en konsekvens af Albert Einsteins teori om generel relativitet. Tyngdefeltet af et massivt objekt kurver universets lokale geometri, så lysstråler, der passerer tæt på objektet, er bøjet (som en "lige linje" på jordoverfladen er nødvendigvis buet på grund af krumningen af jordoverfladen) .
Denne virkning blev først observeret af astronomer i 1919 under en total solformørkelse. Nøjagtige positionsmålinger af stjerner set på den mørke himmel nær den formørkede sol indikerede en tilsyneladende forskydning i retningen modsat solen, omtrent lige så meget som forudsagt af Einsteins teori. Virkningen skyldes tyngdekraftsattraktionen fra stjernernes fotoner, når de passerer nær solen på vej til os. Dette var en direkte bekræftelse af et helt nyt fænomen, og det repræsenterede en milepæl i fysik.
I 1930'erne indså astronom Fritz Zwicky (1898 - 1974) af schweizisk nationalitet og arbejdede ved Mount Wilson-observatoriet i Californien, at den samme effekt også kan ske langt ude i rummet, hvor galakser og store galakse klynger kan være tilstrækkelig kompakte og massive at bøje lyset fra endnu fjernere genstande. Imidlertid var det kun fem årtier senere, i 1979, at hans ideer blev observationsmæssigt bekræftet, da det første eksempel på en kosmisk mirage blev opdaget (som to billeder af den samme fjerne kvasar).
Kosmiske mirages ses generelt som flere billeder af en enkelt kvasar [2], linset af en galakse placeret mellem quasaren og os. Antallet og formen på billederne af kvasaren afhænger af de relative positioner af kvasaren, linsegalaksen og os. Hvis justeringen var perfekt, ville vi også se et ringformet billede omkring objektivobjektivet. Sådanne “Einstein-ringe” er dog meget sjældne og er kun blevet observeret i meget få tilfælde.
En anden særlig interesse ved gravitationslinseringseffekten er, at den muligvis ikke kun resulterer i dobbelt eller flere billeder af det samme objekt, men også at lysstyrken på disse billeder øges markant, ligesom det sker med en almindelig optisk linse. Fjerntliggende galakser og galakse klynger kan derved fungere som ”naturlige teleskoper”, som gør det muligt for os at observere fjernere objekter, der ellers ville have været for svage til at blive detekteret med aktuelt tilgængelige astronomiske teleskoper.
Billedslibningsteknikker løser den kosmiske spejling bedre
En ny gravitationslinse, benævnt RXS J1131-1231, blev serendipitøst opdaget i maj 2002 af Dominique Sluse, dengang ph.d.-studerende ved ESO i Chile, mens han inspicerede kvasarbilleder taget med ESO 3,6-m teleskop ved La Silla-observatoriet. Opdagelsen af dette system tjente på de gode observationsforhold, der var gældende på observationstidspunktet. Fra en simpel visuel inspektion af disse billeder konkluderede Sluse midlertidigt, at systemet havde fire stjernelignende (de linsede kvasarbilleder) og en diffus (linsegalaksen) komponent.
På grund af den meget lille adskillelse mellem komponenterne, i størrelsesordenen et buesekund eller mindre, og den uundgåelige "slør" -effekt forårsaget af turbulens i den jordiske atmosfære ("at se"), anvendte astronomerne sofistikeret billedskærpesoftware til at producere højere -opløsningsbilleder, hvorpå der kunne udføres præcis lysstyrke og positionsmålinger (se også ESO PR 09/97). Denne såkaldte "dekonvolution" -teknik gør det muligt at visualisere dette komplekse system meget bedre og især bekræfte og gøre mere synlig den tilknyttede Einstein-ring, jf. Pkt. PR-foto 20a / 03.
Identifikation af kilden og linsen
Teamet af astronomer [1] brugte derefter ESO 3,5-m New Technology Telescope (NTT) på La Silla til at opnå spektre af de individuelle billedkomponenter i dette linsesystem. Dette er bydende nødvendigt, fordi spektre, ligesom menneskelige fingeraftryk, muliggør entydig identifikation af de observerede genstande.
Ikke desto mindre er dette ikke en let opgave, fordi de forskellige billeder af den kosmiske spejling er placeret meget tæt på hinanden på himlen, og de bedst mulige betingelser er nødvendige for at opnå rene og godt adskilte spektre. Den fremragende optiske kvalitet af NTT kombineret med rimeligt gode synforhold (ca. 0,7 buer i sekundet) gjorde det imidlertid muligt for astronomerne at registrere de "spektrale fingeraftryk" for både kilden og objektet, der fungerer som en linse, jf. Pkt. ESO PR Foto 20b / 03.
Evalueringen af spektrene viste, at baggrundskilden er en kvasar med en rødskift på z = 0,66 [3], svarende til en afstand på ca. 6.300 millioner lysår. Lyset fra denne kvasar er linseret af en massiv elliptisk galakse med en rødskift z = 0,3, dvs. i en afstand af 3.500 millioner lysår eller cirka halvvejs mellem kvasaren og os. Det er den nærmeste gravitationslinsede kvasar, der er kendt til dato.
På grund af den specifikke geometri af linsen og placeringen af linsegalaksen er det muligt at vise, at lyset fra den udvidede galakse, hvor kvasaren befinder sig, også bør være linset og blive synlig som et ringformet billede. At dette virkelig er tilfældet, demonstreres af PR Photo 20a / 03, som tydeligt viser tilstedeværelsen af en sådan "Einstein-ring", der omgiver billedet af den mere nærliggende linsegalakse.
Mikrolinsering inden for makrolinsering?
Den særlige konfiguration af de individuelle linsebilleder, der er observeret i dette system, har gjort det muligt for astronomerne at fremstille en detaljeret model af systemet. Fra dette kan de derefter fremsætte forudsigelser om den relative lysstyrke af de forskellige linsede billeder.
Noget uventet fandt de, at de forudsagte lysstyrker i de tre lyseste stjernelignende billeder af kvasaren ikke er i overensstemmelse med de observerede billeder - en af dem viser sig at være en størrelse (dvs. en faktor på 2,5) lysere end forventet . Denne forudsigelse sætter ikke spørgsmålstegn ved generel relativitet, men antyder, at der er en anden virkning i dette system.
Hypotesen, som teamet fremfører, er, at et af billederne er genstand for ”mikrolensering”. Denne virkning er af samme art som den kosmiske spejling - der dannes flere forstærkede billeder af objektet - men i dette tilfælde skyldes yderligere lysstråledeflektion af en enkelt stjerne (eller flere stjerner) i linsegalaksen. Resultatet er, at der er yderligere (uopløste) billeder af kvasaren inden for et af de makrolinsede billeder.
Resultatet er en "overforstærkning" af netop dette billede. Om dette virkelig er tilfældet, vil snart blive testet ved hjælp af nye observationer af dette tyngdekraftslinsesystem med ESO Very Large Telescope (VLT) i Paranal (Chile) og også med Very Large Array (VLA) radioobservatorium i New Mexico (USA) ).
Outlook
Indtil nu er der opdaget 62 kvadretter med flere billeder, som i de fleste tilfælde viser 2 eller 4 billeder af den samme kvasar. Tilstedeværelsen af langstrakte billeder af kvasaren og især ringlignende billeder observeres ofte ved radiobølgelængder. Dette er dog stadig et sjældent fænomen i det optiske domæne - kun fire sådanne systemer er indtil nu blevet afbildet af optiske / infrarøde telekoper.
Det komplekse og relativt lyse system RXS J1131-1231, der nu er opdaget, er et unikt astrofysisk laboratorium. Dets sjældne egenskaber (f.eks. Lysstyrke, tilstedeværelse af et ringformet billede, lille rødskift, røntgen- og radioemission, synlig linse,…) vil nu gøre det muligt for astronomerne at undersøge egenskaberne ved linsegalaksen, inklusive dens stjernernes indhold, struktur og massedistribution i detaljer og undersøge kildemorfologien. Disse undersøgelser vil anvende nye observationer, der i øjeblikket opnås med VLT i Paranal, med VLA-radiointerferometer i New Mexico og med Hubble-rumteleskopet.
Mere information
Forskningen, der er beskrevet i denne pressemeddelelse, præsenteres i et brev til redaktøren, der snart vises i det europæiske fagtidsskrift Astronomy & Astrophysics ("En firdelt afbildet kvasar med en optisk Einstein-ringskandidat: 1RXS J113155.4-123155", af Dominique Sluse et al.).
Mere information om gravitationslinse og om denne forskningsgruppe kan også findes på URL: http://www.astro.ulg.ac.be/GRech/AEOS/.
Noter
[1]: Holdet består af Dominique Sluse, Damien Hutsem? Kers og Thodori Nakos (ESO og Institut d'Astrophysique et de G? Opysique de l'Universit? De Li? Ge - IAGL), Jean-Fran? Ois Claeskens , Fr? Dicic Courbin, Christophe Jean og Jean Surdej (IAGL), Malvina Billeres (ESO) og Sergiy Khmil (astronomiske observatorium for Shevchentko Universitet).
[2]: Kvasarer er især aktive galakser, hvis centre udsender store mængder energi og energiske partikler. Det antages, at de har et massivt sort hul i deres centrum, og at energien produceres, når omgivende stof falder ned i dette sorte hul. Denne type genstande blev først opdaget i 1963 af den hollandske-amerikanske astronom Maarten Schmidt ved Palomar-observatoriet (Californien, USA), og navnet henviser til deres ”stjerne-lignende” udseende på de billeder, der blev opnået på det tidspunkt.
[3]: I astronomi betegner "rødskiftet" den brøkdel, hvormed linjerne i et objekts spektrum forskydes mod længere bølgelængder. Da rødskiftet af et kosmologisk objekt stiger med afstanden, giver den observerede rødforskydning af en fjerngalakse også et skøn over dets afstand.
Original kilde: ESO News Release
