Fast besluten att hitta en nål i en kosmisk höstack, ett par astronomer reste genom arkiv med gamla data från W. M. Keck Observatory på Mauankea på Hawaii och gamla röntgendata från NASA:s Chandra X-ray Observatory för att låsa upp ett mysterium kring en ljus, lins, kraftigt skymd kvasar.

Detta himmelska föremål, som är en aktiv galax som avger enorma mängder energi på grund av att ett svart hål slukar material, är ett spännande objekt i sig. Att hitta en som är gravitationslinsad, få det att se ljusare och större ut, är ovanligt spännande. Medan drygt 200 linsförsedda obskyrda kvasarer för närvarande är kända, antalet upptäckta dolda kvasarer med linser är ensiffrigt. Detta beror på att det matande svarta hålet rör upp gas och damm, döljer kvasaren och gör den svår att upptäcka i undersökningar av synligt ljus.

Inte bara upptäckte forskarna en kvasar av denna typ, de fann att föremålet råkar vara den första upptäckta Einstein-ringen, heter MG 1131+0456, som observerades 1987 med Very Large Array-nätverket av radioteleskop i New Mexico. Anmärkningsvärt, även om det är mycket studerat, kvasarens avstånd eller rödförskjutning förblev ett frågetecken.

"När vi grävde djupare, vi blev förvånade över att en så berömd och ljus källa aldrig hade ett avstånd uppmätt för den, sa Daniel Stern, senior forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory och författare till studien. "Att ha distans är ett nödvändigt första steg för alla möjliga ytterligare studier, som att använda linsen som ett verktyg för att mäta universums expansionshistoria och som en sond för mörk materia."

Stern och medförfattare Dominic Walton, en STFC Ernest Rutherford Fellow vid University of Cambridges Institute of Astronomy (UK), är de första att beräkna kvasarens avstånd, som är 10 miljarder ljusår bort (eller en rödförskjutning på z =1,849).

Resultatet publiceras i dagens nummer av Astrofysiska tidskriftsbrev .

"Hela den här tidningen var lite nostalgisk för mig, få mig att titta på tidningar från de första dagarna av min karriär, när jag fortfarande gick på forskarskolan. Berlinmuren var fortfarande uppe när denna Einstein-ring först upptäcktes, och all data som presenteras i vår tidning är från det senaste årtusendet, sa Stern.

Metodik

Vid tidpunkten för deras forskning, teleskop runt planeten stängdes av på grund av coronavirus-pandemin (Keck Observatory har sedan dess öppnat igen den 16 maj); Stern och Walton utnyttjade sin långa tid hemma för att kreativt hålla igång vetenskapen genom att kamma igenom data från NASA:s Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) för att söka efter gravitationslinser, kraftigt dolda kvasarer. Medan damm döljer de flesta aktiva galaxer i undersökningar av synligt ljus, att döljande damm gör sådana källor mycket ljusa i infraröda undersökningar, som tillhandahålls av WISE.

Även om kvasarer ofta är extremt långt borta, astronomer kan upptäcka dem genom gravitationslinser, ett fenomen som fungerar som naturens förstoringsglas. Detta inträffar när en galax närmare jorden fungerar som en lins och får kvasaren bakom den att se extra ljus ut. Gravitationsfältet för den närmare galaxen förvränger själva rymden, böja och förstärka ljuset från kvasaren i bakgrunden. Om inriktningen är precis rätt, detta skapar en cirkel av ljus som kallas Einstein-ring, förutspådde av Albert Einstein 1936. Mer typiskt, gravitationslinsning gör att flera bilder av bakgrundsobjektet visas runt förgrundsobjektet.

När Stern och Walton återupptäckte MG 1131+0456 med WISE och insåg att dess avstånd förblev ett mysterium, de kammade noggrant igenom gamla data från Keck Observatory Archive (KOA) och fann att observatoriet observerade kvasaren sju gånger mellan 1997 och 2007 med hjälp av Low Resolution Imaging Spectrometer (LRIS) på Keck I-teleskopet, samt Near-Infrared Spectrograph (NIRSPEC) och Echellette Spectrograph and Imager (ESI) på Keck II-teleskopet.

"Vi kunde extrahera avståndet från Kecks tidigaste datauppsättning, tagen i mars 1997, under observatoriets första år, ", sade Walton. "Vi är tacksamma mot Keck och NASA för deras samarbete för att göra mer än 25 år av Keck-data offentligt tillgängliga för världen. Vår tidning hade inte varit möjlig utan det."

Teamet analyserade också NASA:s arkivdata från Chandra X-ray Observatory år 2000, under det första året efter att uppdraget startade.

Nästa steg

Med MG 1131+0456s avstånd nu känt, Walton och Stern kunde bestämma massan av den linsade galaxen med utsökt precision och använda Chandra-data för att robust bekräfta kvasarens mörka natur, exakt bestämma hur mycket mellanliggande gas som finns mellan oss och dess lysande centrala områden.

"Vi kan nu fullständigt beskriva det unika, slumpmässig geometri hos denna Einstein-ring, ", sa Stern. "Detta tillåter oss att skapa uppföljningsstudier, som att använda det snart lanserade rymdteleskopet James Webb för att studera egenskaperna för mörk materia hos linsgalaxen."

"Vårt nästa steg är att hitta linsförsedda kvasarer som är ännu tyngre dolda än MG 1131+0456, " sa Walton. "Att hitta de där nålarna kommer att bli ännu svårare, men de är där ute och väntar på att bli upptäckta. Dessa kosmiska pärlor kan ge oss en djupare förståelse av universum, inklusive ytterligare insikt i hur supermassiva svarta hål växer och påverkar sin omgivning, säger Walton.