Waarnemingen van het Gemini Observatorium identificeren een belangrijke vingerafdruk van een extreem verre quasar, waardoor astronomen licht kunnen bemonsteren dat wordt uitgezonden vanaf het begin der tijden. Astronomen ontdekten deze diepe blik in ruimte en tijd dankzij een onopvallend voorgrondstelsel dat als een zwaartekrachtlens fungeert, die het oude licht van de quasar uitvergroot. De waarnemingen van Tweelingen leveren cruciale stukjes van de puzzel om te bevestigen dat dit object zo vroeg in de geschiedenis van het heelal de helderste quasar is. hoop dat er meer van dit soort bronnen zullen worden gevonden.

Voordat de kosmos zijn miljardste verjaardag bereikte, een deel van het allereerste kosmische licht begon aan een lange reis door het uitdijende heelal. Een bepaalde lichtstraal, van een energetische bron genaamd een quasar, toevallig langs een tussenliggend sterrenstelsel gepasseerd, wiens zwaartekracht het licht van de quasar deed buigen en uitvergroten en het opnieuw in onze richting richtte, waardoor telescopen zoals Gemini North de quasar tot in detail kunnen onderzoeken.

"Als deze geïmproviseerde kosmische telescoop er niet was geweest, het licht van de quasar zou ongeveer 50 keer zwakker lijken, "zei Xiaohui Fan van de Universiteit van Arizona die de studie leidde. "Deze ontdekking toont aan dat quasars met een sterke zwaartekrachtlens bestaan, ondanks het feit dat we al meer dan 20 jaar op zoek zijn en zo ver terug in de tijd geen andere hebben gevonden."

De waarnemingen van Gemini leverden sleutelstukken van de puzzel door een cruciaal gat in de gegevens te vullen. De Gemini North-telescoop op Maunakea, Hawaii, gebruikte de Gemini Near-InfraRed Spectrograph (GNIRS) om een ​​aanzienlijk deel van het infrarode deel van het lichtspectrum te ontleden. De Gemini-gegevens bevatten de veelbetekenende handtekening van magnesium, wat van cruciaal belang is om te bepalen hoe ver terug in de tijd we kijken. De waarnemingen van Gemini leidden ook tot een bepaling van de massa van het zwarte gat dat de quasar aandrijft. "Toen we de Gemini-gegevens combineerden met waarnemingen van meerdere observatoria op Maunakea, de Hubble-ruimtetelescoop, en andere observatoria over de hele wereld, konden we een compleet beeld schetsen van de quasar en het tussenliggende sterrenstelsel, " zei Feige Wang van de Universiteit van Californië, Santa Barbara, die lid is van het ontdekkingsteam.

Die foto laat zien dat de quasar zich extreem ver terug in tijd en ruimte bevindt - kort na wat bekend staat als het tijdperk van reïonisatie - toen het allereerste licht uit de oerknal tevoorschijn kwam. "Dit is een van de eerste bronnen die schitterde toen het universum tevoorschijn kwam uit de kosmische donkere middeleeuwen, " zei Jinyi Yang van de Universiteit van Arizona, een ander lid van het ontdekkingsteam. "Voorafgaand geen sterren, quasars, of sterrenstelsels waren gevormd, totdat dit soort objecten als kaarsen in het donker verschenen."

Het voorgrondstelsel dat ons zicht op de quasar verbetert, is bijzonder zwak, wat zeer toevallig is. "Als dit sterrenstelsel veel helderder was, we zouden het niet hebben kunnen onderscheiden van de quasar, " verklaarde Fan, eraan toevoegend dat deze bevinding de manier zal veranderen waarop astronomen in de toekomst naar quasars met lenzen zoeken en het aantal quasar-ontdekkingen met lenzen aanzienlijk kan verhogen. Echter, zoals Fan suggereerde, "We verwachten niet veel quasars die helderder zijn dan deze in het hele waarneembare heelal."

De intense schittering van de quasar, bekend als J0439+1634 (kortweg J0439+1634), suggereert ook dat het wordt gevoed door een superzwaar zwart gat in het hart van een jong melkwegstelsel dat zich vormt. Het brede uiterlijk van de magnesiumvingerafdruk die door Tweelingen werd vastgelegd, stelde astronomen ook in staat om de massa van het superzware zwarte gat van de quasar te meten op 700 miljoen keer die van de zon. Het superzware zwarte gat is hoogstwaarschijnlijk omgeven door een aanzienlijke afgeplatte schijf van stof en gas. Deze torus van materie - bekend als een accretieschijf - draait hoogstwaarschijnlijk voortdurend naar binnen om de krachtpatser van het zwarte gat te voeden. Waarnemingen op submillimetergolflengten met de James Clerk Maxwell Telescope op Maunakea suggereren dat het zwarte gat niet alleen gas ophoopt, maar mogelijk ook de stergeboorte in gang zet met een verbazingwekkende snelheid - die tot 10 lijkt te zijn, 000 sterren per jaar; ter vergelijking, onze Melkweg maakt één ster per jaar. Echter, vanwege het versterkende effect van zwaartekrachtlenzen, de werkelijke snelheid van stervorming zou veel lager kunnen zijn.

Quasars zijn extreem energetische bronnen die worden aangedreven door enorme zwarte gaten waarvan wordt aangenomen dat ze in de allereerste sterrenstelsels in het heelal hebben gestaan. Vanwege hun helderheid en afstand, quasars bieden een unieke kijk op de omstandigheden in het vroege heelal. Deze quasar heeft een roodverschuiving van 6,51, wat zich vertaalt naar een afstand van 12,8 miljard lichtjaar, en lijkt te schijnen met een gecombineerd licht van ongeveer 600 biljoen zonnen, versterkt door de zwaartekrachtlensvergroting. Het voorgrondstelsel dat het licht van de quasar afbuigt, is ongeveer de helft van die afstand, op slechts 6 miljard lichtjaar van ons verwijderd.

Het team van Fan selecteerde J0439+1634 als een zeer verre quasarkandidaat op basis van optische gegevens uit verschillende bronnen:de Panoramic Survey Telescope en Rapid Response System1 (Pan-STARRS1; beheerd door het Institute for Astronomy van de University of Hawai'i), het Verenigd Koninkrijk Infra-Red Telescope Hemisphere Survey (uitgevoerd op Maunakea, Hawaii), en NASA's Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) ruimtetelescooparchief.

De eerste follow-up spectroscopische waarnemingen, uitgevoerd met de Multi-Mirror Telescope in Arizona, bevestigde het object als een quasar met een hoge roodverschuiving. Daaropvolgende waarnemingen met de Gemini North- en Keck I-telescopen in Hawaï bevestigden de bevinding van de MMT, en leidde tot Gemini's detectie van de cruciale magnesiumvingerafdruk - de sleutel tot het vastleggen van de fantastische afstand van de quasar. Echter, het melkwegstelsel met lens op de voorgrond en de quasar lijken zo dichtbij dat het onmogelijk is ze van elkaar te scheiden met beelden die vanaf de grond zijn genomen vanwege de vervaging van de aardatmosfeer. De buitengewoon scherpe opnamen van de Hubble-ruimtetelescoop waren nodig om te onthullen dat het quasar-beeld in drie componenten wordt gesplitst door een zwak lensstelsel.

De quasar is rijp voor toekomstig onderzoek. Astronomen zijn ook van plan om de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array te gebruiken, en uiteindelijk NASA's James Webb Space Telescope, om binnen 150 lichtjaar van het zwarte gat te kijken en direct de invloed van de zwaartekracht van zwart gat op gasbeweging en stervorming in zijn omgeving te detecteren. Alle toekomstige ontdekkingen van zeer verre quasars zoals J0439+1634 zullen astronomen blijven leren over de chemische omgeving en de groei van massieve zwarte gaten in ons vroege heelal.

De studie wordt beschreven in een presentatie op de 233e bijeenkomst van de American Astronomical Society in Seattle, Washington en gepubliceerd in The Astrofysische journaalbrieven .