Déterminé à trouver une aiguille dans une botte de foin cosmique, une paire d'astronomes a voyagé dans le temps à travers des archives d'anciennes données de l'observatoire W. M. Keck sur Mauankea à Hawaï et d'anciennes données de rayons X de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA pour percer un mystère entourant un brillant, lentille, quasar fortement obscurci.

Cet objet céleste, qui est une galaxie active émettant d'énormes quantités d'énergie en raison d'un matériau dévorant un trou noir, est un objet passionnant en soi. En trouver un qui a une lentille gravitationnelle, le faisant paraître plus lumineux et plus grand, est exceptionnellement excitant. Alors qu'un peu plus de 200 quasars non obscurcis à lentille sont actuellement connus, le nombre de quasars obscurcis à lentille découverts est de l'ordre de un chiffre. C'est parce que le trou noir d'alimentation remue du gaz et de la poussière, masquant le quasar et le rendant difficile à détecter dans les enquêtes à la lumière visible.

Non seulement les chercheurs ont découvert un quasar de ce type, ils ont découvert que l'objet se trouve être le premier anneau d'Einstein découvert, nommé MG 1131+0456, qui a été observée en 1987 avec le réseau Very Large Array de radiotélescopes au Nouveau-Mexique. Remarquablement, bien que largement étudié, la distance ou le décalage vers le rouge du quasar restait un point d'interrogation.

"Alors que nous creusions plus profondément, nous avons été surpris qu'une source aussi célèbre et brillante n'ait jamais eu une distance mesurée pour elle, " a déclaré Daniel Stern, chercheur principal au Jet Propulsion Laboratory de la NASA et auteur de l'étude. "La distance est un premier pas nécessaire pour toutes sortes d'études complémentaires, comme l'utilisation de la lentille comme outil pour mesurer l'histoire de l'expansion de l'univers et comme sonde pour la matière noire."

Stern et co-auteur Dominic Walton, un STFC Ernest Rutherford Fellow à l'Institut d'astronomie de l'Université de Cambridge (Royaume-Uni), sont les premiers à calculer la distance du quasar, qui est à 10 milliards d'années-lumière (ou un décalage vers le rouge de z =1,849).

Le résultat est publié dans le numéro d'aujourd'hui du Lettres de revues astrophysiques .

"Tout ce papier était un peu nostalgique pour moi, me faisant regarder les papiers des premiers jours de ma carrière, quand j'étais encore aux études supérieures. Le mur de Berlin était encore debout lorsque cet anneau d'Einstein a été découvert pour la première fois, et toutes les données présentées dans notre article datent du dernier millénaire, " dit Stern.

Méthodologie

Au moment de leurs recherches, les télescopes autour de la planète ont été fermés en raison de la pandémie de coronavirus (l'observatoire Keck a rouvert depuis le 16 mai); Stern et Walton ont profité de leur temps prolongé à la maison pour faire avancer la science de manière créative en passant au peigne fin les données du Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) de la NASA pour rechercher des lentilles gravitationnelles, quasars fortement obscurcis. Alors que la poussière cache la plupart des galaxies actives dans les relevés de lumière visible, que la poussière obscurcissante rend ces sources très lumineuses dans les relevés infrarouges, tels que fournis par WISE.

Bien que les quasars soient souvent extrêmement éloignés, les astronomes peuvent les détecter par lentille gravitationnelle, un phénomène qui agit comme la loupe de la nature. Cela se produit lorsqu'une galaxie plus proche de la Terre agit comme une lentille et rend le quasar derrière elle plus brillant. Le champ gravitationnel de la galaxie la plus proche déforme l'espace lui-même, pliant et amplifiant la lumière du quasar en arrière-plan. Si l'alignement est juste, cela crée un cercle de lumière appelé anneau d'Einstein, prédit par Albert Einstein en 1936. Plus typiquement, la lentille gravitationnelle fera apparaître plusieurs images de l'objet d'arrière-plan autour de l'objet de premier plan.

Une fois que Stern et Walton ont redécouvert la MG 1131+0456 avec WISE et ont réalisé que sa distance restait un mystère, ils ont méticuleusement passé au peigne fin les anciennes données des archives de l'observatoire de Keck (KOA) et ont découvert que l'observatoire avait observé le quasar sept fois entre 1997 et 2007 à l'aide du spectromètre imageur à basse résolution (LRIS) sur le télescope Keck I, ainsi que le spectrographe proche infrarouge (NIRSPEC) et le spectrographe et imageur Echellette (ESI) sur le télescope Keck II.

« Nous avons pu extraire la distance du premier ensemble de données de Keck, prise en mars 1997, dans les premières années de l'observatoire, " a déclaré Walton. " Nous sommes reconnaissants à Keck et à la NASA pour leurs efforts de collaboration visant à rendre plus de 25 ans de données Keck accessibles au public dans le monde. Notre journal n'aurait pas été possible sans cela."

L'équipe a également analysé les données d'archives de la NASA de l'observatoire à rayons X Chandra en 2000, au cours de la première année suivant le lancement de la mission.

Prochaines étapes

Avec la distance de MG 1131+0456 maintenant connue, Walton et Stern ont pu déterminer la masse de la galaxie lentille avec une précision exquise et utiliser les données de Chandra pour confirmer de manière robuste la nature obscurcie du quasar, déterminer avec précision la quantité de gaz intermédiaire entre nous et ses régions centrales lumineuses.

"Nous pouvons maintenant décrire pleinement l'unique, géométrie fortuite de cet anneau d'Einstein, " a déclaré Stern. " Cela nous permet de concevoir des études de suivi, comme l'utilisation du télescope spatial James Webb, qui sera bientôt lancé, pour étudier les propriétés de la matière noire de la galaxie lentille."

"Notre prochaine étape consiste à trouver des quasars à lentilles encore plus obscurcis que MG 1131+0456, " a déclaré Walton. " Trouver ces aiguilles va être encore plus difficile, mais ils attendent d'être découverts. Ces joyaux cosmiques peuvent nous donner une compréhension plus profonde de l'univers, y compris un aperçu supplémentaire de la façon dont les trous noirs supermassifs se développent et influencent leur environnement, " dit Walton.