استفاده از عدسی گرانشی برای اندازه گیری با دقت جرم کهکشان میزبان اختروش

سیستم SDSS J0919 + 2720 دارای لنز قوی. اعتبار: Nature Astronomy (2023). DOI: 10.1038/s41550-023-01982-2

تیمی از محققان از EPFL راهی برای استفاده از پدیده عدسی گرانشی قوی برای تعیین با دقت – تقریباً سه برابر دقیق‌تر از هر روش دیگری – جرم کهکشان حاوی یک اختروش و همچنین تکامل آنها پیدا کرده‌اند.  دانستن جرم کهکشان‌های میزبان اختروش بینشی در مورد تکامل کهکشان‌ها در کیهان اولیه برای ساخت سناریوهای شکل‌گیری کهکشان‌ها و توسعه سیاه‌چاله‌ها فراهم می‌کند.

فردریک کوربین، اخترفیزیکدان EPFL، نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید: دقت بی‌سابقه‌ای که با عدسی‌های گرانشی به دست می‌آید، راه جدیدی را برای به دست آوردن تخمین‌های جرم قوی در جهان دور فراهم می‌کند، جایی که تکنیک‌های معمولی دقت کافی ندارند و مستعد سوگیری هستند.

مارتین میلون، نویسنده اصلی این مطالعه و در حال حاضر در دانشگاه استنفورد توضیح می‌دهد: «جرم کهکشان‌های میزبان در گذشته اندازه‌گیری شده‌اند، اما به لطف عدسی‌های گرانشی، این اولین باری است که اندازه‌گیری در جهان دور تا این اندازه دقیق است.

ترکیب عدسی گرانشی و کوازار

اختروش تجلی نورانی از یک سیاهچاله بسیار پرجرم است که ماده اطراف را برافروخته می‌کند و در مرکز کهکشان میزبان قرار دارد. به طور کلی اندازه گیری جرم کهکشان میزبان کوازار دشوار است، زیرا اختروش‌ها اجرام بسیار دور هستند و همچنین به این دلیل که آنقدر درخشان هستند که بر هر چیزی می‌تابد که در مجاورت خود قرار دارد.

تصویر عدسی کوازار. اعتبار: EPFL / آستین پیل

عدسی گرانشی به ما اجازه می‌دهد تا جرم جسم عدسی را محاسبه کنیم. به لطف نظریه گرانش اینشتین، ما می‌دانیم که چگونه اجرام پرجرم در پیش زمینه آسمان شب – عدسی گرانشی – می‌توانند نوری را خم کنند که از اجسام پس زمینه می‌آید. حلقه‌های نور عجیب و غریب حاصل در واقع اعوجاج نور شی پس زمینه توسط عدسی گرانشی است.

بیش از یک دهه پیش، کوربین در حال دوچرخه‌سواری به سمت رصدخانه سوورنی بود که متوجه شد می‌تواند این دو – اختروش و عدسی گرانشی – را برای اندازه‌گیری جرم کهکشان میزبان کوازار ترکیب کند. برای این کار، او باید یک اختروش در یک کهکشان پیدا می‌کرد که به عنوان یک عدسی گرانشی نیز عمل می‌کند.

تعداد انگشت شماری اختروش عدسی گرانشی تاکنون مشاهده شده است

پایگاه داده Sloan Digital Sky Survey (SDSS) مکانی عالی برای جستجوی نامزدهای اختروش لنز گرانشی بود، اما برای اطمینان، کوربین باید حلقه‌های عدسی را می‌دید. در سال 2010، او و همکارانش زمانی را بر روی تلسکوپ فضایی هابل برای رصد چهار نامزد در اختیار گرفتند که سه عدد از آنها دارای عدسی بودند. از این سه، یکی به دلیل حلقه‌های لنز گرانشی مشخصه‌اش مشهور بود: SDSS J0919+2720.

کوربین توضیح می‌دهد که تصویر HST از SDSS J0919+2720 که در اینجا مشاهده می‌شود، دو جرم درخشان را در پیش‌زمینه نشان می‌دهد که هر کدام به عنوان یک عدسی گرانشی عمل می‌کنند که «احتمالاً دو کهکشان در حال ادغام» هستند. یکی در سمت چپ یک اختروش درخشان است که در یک کهکشان میزبان بسیار کم نور است که قابل مشاهده نیست. جسم درخشان سمت راست کهکشان دیگری است  (عدسی گرانشی اصلی). یک شی کم نور در سمت چپ، یک کهکشان همدم است. حلقه‌های مشخصه نور تغییر شکل یافته‌ای هستند که از یک کهکشان پس زمینه می آیند.

مدل‌سازی لنز محاسباتی

با تجزیه و تحلیل دقیق حلقه‌های دارای لنز گرانشی در SDSS J0919+2720، می‌توان جرم دو جسم درخشان را در اصل تعیین کرد. جداسازی توده‌های اجسام مختلف بدون توسعه اخیر تکنیک مدل‌سازی لنز مبتنی بر موجک توسط یکی از نویسندگان، Aymeric Galan، که در حال حاضر در دانشگاه فنی مونیخ (TUM) نیز با کمک هزینه SNF، غیرممکن بود.

گالان توضیح می‌دهد: «یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در اخترفیزیک، درک چگونگی شکل‌گیری یک سیاه‌چاله بزرگ است. دانستن جرم آن، نحوه مقایسه آن با کهکشان میزبان و چگونگی تکامل آن در زمان کیهانی، چیزی است که به ما امکان می‌دهد نظریه‌های شکل‌گیری خاصی را کنار بگذاریم یا تأیید کنیم.»

در جهان محلی، ما مشاهده می‌کنیم که پرجرم‌ترین کهکشان‌ها همچنین میزبان پرجرم‌ترین سیاه‌چاله‌ها در مرکز خود هستند. میلون توضیح می‌دهد: با این حال، برای آزمایش این نظریه، ما هنوز باید این فعل و انفعالات را نه تنها به صورت محلی، بلکه در جهان دور نیز مطالعه کنیم.

رویدادهای عدسی گرانشی بسیار نادر هستند و از هر هزار کهکشان یک کهکشان این پدیده را آشکار می‌کند. از آنجایی که اختروش‌ها در هر هزار کهکشان دیده می‌شوند، یک اختروش که به عنوان عدسی عمل می کند، یک در میلیون است. دانشمندان انتظار دارند صدها مورد از این اختروش‌های لنزدار را با ماموریت اقلید ESA-NASA شناسایی کنند که در تابستان امسال با موشک فالکون 9 اسپیس‌ایکس پرتاب خواهد شد.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Using gravitational lensing to measure mass of a quasar’s galaxy with precision

by Ecole Polytechnique Federale de Lausanne JUNE 5, 2023

https://phys.org/news/2023-06-gravitational-lensing-mass-quasar-galaxy.html