Detta är en Hubble Space Telescope-bild av en mycket avlägsen kvasar (till höger) som har ljusnats upp och delats i tre bilder av effekterna av gravitationsfältet i en förgrundsgalax (vänster). Korsen markerar mitten av varje kvasarbild. Kvasaren skulle ha gått oupptäckt om inte kraften hos gravitationslinser, som ökade sin ljusstyrka med en faktor 50. Gravitationsfältet i förgrundsgalaxen (se till vänster) förvränger rymden som en spegel i nöjeshuset, förstärker kvasarens ljus. Lyser med glansen av 600 biljoner solar, kvasaren drivs av ett supermassivt svart hål i hjärtat av en ung galax som håller på att bildas. Bilden visar kvasaren som den såg ut för 12,8 miljarder år sedan – bara cirka 1 miljard år efter den stora smällen. Kvasaren ser röd ut eftersom dess blå ljus har absorberats av diffus gas i det intergalaktiska rummet. Som jämförelse, förgrundsgalaxen har blåare stjärnljus. kvasaren, katalogiserad som J043947.08+163415.7 (förkortat J0439+1634), kunde hålla rekordet att vara den ljusaste i det tidiga universum under en tid, vilket gör det till ett unikt objekt för uppföljningsstudier. Kredit:NASA, ESA, Xiaohui Fan (University of Arizona)
Observationer från Gemini Observatory identifierar ett nyckelfingeravtryck av en extremt avlägsen kvasar, tillåter astronomer att ta prov på ljus som sänds ut från tidernas gryning. Astronomer fick denna djupa inblick i rum och tid tack vare en omärklig förgrundsgalax som fungerar som en gravitationslins, som förstorade kvasarens urgamla ljus. Tvillingobservationerna ger viktiga pusselbitar för att bekräfta att detta objekt är den ljusaste kvasaren så tidigt i universums historia, höjer förhoppningar om att fler källor som denna kommer att hittas.
Innan kosmos nådde sin miljardårsdag, något av det allra första kosmiska ljuset började en lång resa genom det expanderande universum. En speciell ljusstråle, från en energikälla som kallas en kvasar, passerade serendipit nära en mellanliggande galax, vars gravitation böjde och förstorade kvasarens ljus och omfokuserade det i vår riktning, tillåter teleskop som Gemini North att undersöka kvasaren i detalj.
"Om det inte vore för detta provisoriska kosmiska teleskop, kvasarens ljus skulle se ungefär 50 gånger svagare ut, ", sa Xiaohui Fan vid University of Arizona som ledde studien. "Denna upptäckt visar att kvasarer med stark gravitationslins existerar trots att vi har letat i över 20 år och inte hittat några andra så långt tillbaka i tiden."
Gemini-observationerna gav viktiga pusselbitar genom att fylla ett kritiskt hål i data. Gemini North-teleskopet på Maunakea, Hawaii, använde Gemini Near-InfraRed Spectrograph (GNIRS) för att dissekera en betydande sträcka av den infraröda delen av ljusets spektrum. Gemini-datan innehöll den kontrollanta signaturen för magnesium som är avgörande för att avgöra hur långt tillbaka i tiden vi tittar. Tvillingobservationerna ledde också till en bestämning av massan av det svarta hålet som driver kvasaren. "När vi kombinerade Gemini-data med observationer från flera observatorier på Maunakea, rymdteleskopet Hubble, och andra observatorier runt om i världen, vi kunde måla en komplett bild av kvasaren och den mellanliggande galaxen, " sa Feige Wang från University of California, Santa Barbara, som är medlem i upptäcktsteamet.
Den bilden avslöjar att kvasaren ligger extremt långt tillbaka i tid och rum – kort efter det som kallas återjoniseringens epok – när det allra första ljuset dök upp från Big Bang. "Detta är en av de första källorna som lyser när universum dök upp ur den kosmiska mörka medeltiden, " sa Jinyi Yang vid University of Arizona, en annan medlem av upptäcktsteamet. "Innan detta, inga stjärnor, kvasarer, eller galaxer hade bildats, tills sådana här föremål dök upp som ljus i mörkret."
Förgrundsgalaxen som förbättrar vår syn på kvasaren är särskilt svag, vilket är extremt slumpmässigt. "Om denna galax var mycket ljusare, vi skulle inte ha kunnat skilja det från kvasaren, " förklarade Fan, och tillägger att denna upptäckt kommer att förändra hur astronomer letar efter linserade kvasarer i framtiden och kan avsevärt öka antalet linserade kvasarfyndigheter. Dock, som Fan föreslog, "Vi förväntar oss inte att hitta många kvasarer som är ljusare än denna i hela det observerbara universum."
Den intensiva briljansen av kvasaren, känd som J0439+1634 (förkortat J0439+1634), antyder också att det drivs av ett supermassivt svart hål i hjärtat av en ung bildande galax. Det breda utseendet på magnesiumfingeravtrycket som fångats av Tvillingarna gjorde det också möjligt för astronomer att mäta massan av kvasarens supermassiva svarta hål till 700 miljoner gånger solens. Det supermassiva svarta hålet är sannolikt omgivet av en ansenlig tillplattad skiva av damm och gas. Denna torus av materia - känd som en ackretionsskiva - spiralerar med största sannolikhet kontinuerligt inåt för att mata det svarta hålets kraftpaket. Observationer vid submillimetervåglängder med James Clerk Maxwell-teleskopet på Maunakea tyder på att det svarta hålet inte bara ansamlar gas utan kan utlösa stjärnfödseln i en otrolig takt – som verkar vara upp till 10, 000 stjärnor per år; i jämförelse, vår Vintergatans galax gör en stjärna per år. Dock, på grund av den förstärkande effekten av gravitationslinser, den faktiska takten för stjärnbildning kan vara mycket lägre.
Kvasarer är extremt energikällor som drivs av enorma svarta hål som tros ha funnits i de allra första galaxerna som bildades i universum. På grund av deras ljusstyrka och avstånd, kvasarer ger en unik inblick i förhållandena i det tidiga universum. Denna kvasar har en rödförskjutning på 6,51, vilket översätts till ett avstånd på 12,8 miljarder ljusår, och verkar lysa med ett kombinerat ljus av cirka 600 biljoner solar, förstärkt av gravitationslinsförstoringen. Förgrundsgalaxen som böjde kvasarens ljus är ungefär hälften så långt bort, bara 6 miljarder ljusår från oss.
Ljuset från kvasaren J0439+1634, cirka 12,8 miljarder ljusår bort, passerar nära en svag galax som är omkring sex miljarder ljusår bort. Tyngdkraften hos denna förgrundsgalax förvränger utrymmet runt den, enligt Einsteins allmänna relativitetsteori. Detta böjer ljuset som en optisk lins, förstorar kvasarbilden med en faktor femtio, samtidigt som kvasarbilden delas upp i tre. Både förgrundsgalaxen och kvasaren med flera bilder fångas av den högupplösta bilden av rymdteleskopet Hubble. Markbaserade teleskop, inklusive MMT, Keck, Tvillingarna, LBT och JCMT, används för att observera detta objekt i optisk, infraröda och submillimetervåglängder för att mäta dess avstånd, och för att karakterisera dess centrala svarta hål och värdgalax. Kredit:NASA, ESA, Xiaohui Fan (University of Arizona)
Fans team valde J0439+1634 som en mycket avlägsen kvasarkandidat baserat på optisk data från flera källor:Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System1 (Pan-STARRS1; drivs av University of Hawai'i Institute for Astronomy), United Kingdom Infra-Red Telescope Hemisphere Survey (genomförd på Maunakea, Hawaii), och NASA:s Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) rymdteleskoparkiv.
De första uppföljande spektroskopiska observationerna, genomfördes vid Multi-Mirror Telescope i Arizona, bekräftade att objektet var en kvasar med hög rödförskjutning. Efterföljande observationer med teleskopen Gemini North och Keck I i Hawaii bekräftade MMT:s fynd, och ledde till att Tvillingarna upptäckte det avgörande magnesiumfingeravtrycket – nyckeln till att spika fast kvasarens fantastiska avstånd. Dock, linsgalaxen i förgrunden och kvasaren verkar så nära att det är omöjligt att skilja dem åt med bilder tagna från marken på grund av att jordens atmosfär blir suddig. Det krävdes de utsökt skarpa bilderna från rymdteleskopet Hubble för att avslöja att kvasarbilden är uppdelad i tre komponenter av en svag linsgalax.
Kvasaren är mogen för framtida granskning. Astronomer planerar också att använda Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, och så småningom NASA:s James Webb rymdteleskop, att titta inom 150 ljusår från det svarta hålet och direkt upptäcka inverkan av gravitationen från svarta hålet på gasrörelser och stjärnbildning i dess närhet. Alla framtida upptäckter av mycket avlägsna kvasarer som J0439+1634 kommer att fortsätta att lära astronomer om den kemiska miljön och tillväxten av massiva svarta hål i vårt tidiga universum.
Studien beskrivs i en presentation vid det 233:e mötet med American Astronomical Society i Seattle, Washington och publicerad i The Astrofysiska tidskriftsbrev .
