Soczewkowany grawitacyjnie kwazar RX J1131-1231 sfotografowany przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) wygląda niczym skrzący się wszystkimi możliwymi barwami pierścień wysadzany czterema kamieniami szlachetnymi.
Teleskop ten cały czas nas zaskakuje, ujawniając tajemnice Wszechświata z niespotykaną do tej pory wyrazistością. W lipcu 2024 roku astronomowie zaprezentowali najnowsze zdjęcie w podczerwieni soczewkowanego grawitacyjne kwazara, znanego jako RX J1131-1231 (w skrócie RX J1131).
Soczewkowanie grawitacyjne jest naturalnym, aczkolwiek przypadkowym sposobem na znaczne wzmocnienie jasności („powiększenie”) słabych i odległych obiektów astronomicznych, co umożliwia ich zaobserwowanie (inaczej nie byłoby to możliwe!). To niezwykłe zjawisko występuje, ponieważ materia we Wszechświecie zakrzywia przestrzeń wokół niej i im większa jest jej masa, tym silniejsze jest to zniekształcenie. Gdy światło przechodzi w pobliżu obiektów o ekstremalnie dużych masach, takich jak galaktyki lub supermasywne czarne dziury, porusza się w tej zakrzywionej przestrzeni i wydaje się, że odchyla się od początkowej trajektorii, tworząc zwielokrotnione obrazy. Soczewkowanie grawitacyjne generuje obrazy takie jak:
• pierścień Einsteina → gdy soczewka jest sferyczna,
• krzyż Einsteina → gdy soczewka jest rozciągnięta - wydłużona (obserwujemy cztery obrazy tego samego obiektu astronomicznego),
• kształty „bananowe” (łuki, łuczki,itp.) → gdy soczewka jest gromadą galaktyk.
Na ilustracji: Soczewka grawitacyjna generuje obraz ciała niebieskiego (np. odległa galaktyka → ang. distant galaxy) o różnym kształcie obserwowanym na Ziemi (ang. Earth) w zależności od kształtu takiej soczewki (ang. lensing mass).
U góry – jeżeli soczewka jest sferyczna, obraz wygląda jak pierścień wypełniony światłem, zwany również pierścieniem Einsteina.
W środku – jeżeli soczewka jest wydłużona, obraz staje się krzyżem Einsteina (np. zwielokrotniony cztery razy obraz tej samej galaktyki).
Na dole – jeżeli soczewka jest gromadą galaktyk (np. Abell 2218), obrazy przypomina banany (widać większe i drobniejsze łuki świetlne).
Źródło: European Space Agency
Kwazar RX J1131 znajduje się około sześciu miliardów lat świetlnych w gwiazdozbiorze Pucharu i jest uważany za jeden z najciekawszych przykładów soczewkowanych kwazarów odkrytych do tej pory, ponieważ galaktyka na pierwszym planie rozmazuje obraz kwazara tła w jasny łuk i tworzy cztery jego obrazy.
Na dodatek RX J1131 emituje mierzalne promieniowanie rentgenowskie. Pozwoliło to oszacować prędkość rotacji supermasywnej czarnej dziury znajdującej się we centrum tego kwazara, co stanowi drobnym przyczynek do poznania sekretów ewolucji w czasie czarnych dziur. Jeżeli powiększają się one przede wszystkim w wyniku zderzeń i łączenia się galaktyk, to ze względu na zasadę zachowania momentu pędu proces taki owocuje szybko rotującą supermasywną czarną dziurą. I odwrotnie – epizody akrecji obiektów na czarną dziurę z przypadkowych kierunków i w mniejszej skali prowadzą do wolniejszej i mniej stabilnej rotacji. Na podstawie obserwacji rentgenowskich astronomowie wyznaczyli, że supermasywna czarna dziura w kwazarze RX J1131 rotuje z prędkością ponad połowy prędkości światła. Sugeruje to, że powstała ona w wyniku łączenia się wielu galaktyk, a nie akrecji w mniejszej skali z przypadkowych kierunków.
Kwazary są ekstremalnie jasnymi i odległymi obiektami we Wszechświecie. Na zdjęciach wyglądem przypominają gwiazd (stąd ich nazwa po angielsku – quasar to „obiekt gwiazdopodobny”), ale emitują niewyobrażalne ilości energii (np. kwazar 3C 273 znajdujący się w odległości 10 pc jest tak jasny, jak Słońce obserwowane z Ziemi, podczas gdy Słońce z 10 pc jest ledwo widoczne gołym okiem). Źródłem energii kwazarów są supermasywne czarne dziury rezydujące w obszarach centralnych galaktyk. Gdy materia gazowa i pyłowa opada ruchem spiralnym na taką czarna dziurę (zjawisko akrecji), to silnie rozgrzewa się i intensywnie emituje promieniowanie elektromagnetyczne w wyniku utraty energii w polu grawitacyjnym czarnej dziury.
Kwazary zostały odkryte w latach sześćdziesiątych i zaskoczyły astronomów niezwykłymi właściwościami (np. emisją silnego promieniowania radiowego). W późniejszych latach odkryto również emisje promieniowanie kwazarów w zakresie rentgenowskim i ultrafioletowym. Kwazary są w stanie oświetlić całe galaktyki Niektóre z nich są tysiące razy jaśniejsze niż nasza Droga Mleczna. Pomimo to są drobniutkie w porównaniu do swoich galaktyk macierzystych (rozmiar naszego Układu Słonecznego). Energia, którą produkują, pochodzi w niewielkiego obszaru wokół supermasywnej czarnej dziury.
Na ilustracji: Górny panel – wielokrotne obrazy odległego kwazara RX J1131 sfotografowane przez teleskopy orbitalne Chandra (zakres promieniowania X) oraz Hubble’a (HST; zakres optyczny).
Soczewkowanie grawitacyjne, którego źródłem jest znajdująca się znacznie bliżej galaktyka eliptyczna (ang. foreground elliptical galaxy), wygenerowało cztery różne obrazy tego samego kwazara (multiple images of quasar) w postaci różowych plamek (obserwacje Chandry). Natomiast obserwacje galaktyki eliptycznej za pomocą HST są pokazane w kolorze czerwonym, zielonym i niebieskim.
Dolny panel – wielokrotne obrazy odległego kwazara RX J1131 sfotografowane przez teleskop orbitalny Chandra w zakresie promieniowania rentgenowskiego / X. Obserwacje rentgenowskie Chandry i XMM-Newtona zostały wykorzystane do wyznaczenia w 2014 roku masy oraz spinu supermasywnej czarnej dziury zasilającej w energię tego kwazara.
Źródło: X-ray: NASA/CXC/Univ of Michigan/R.C.Reis et al; Optical: NASA/STScl
Teleskop Webba wykonał zdjęcie kwazara RX J1131 w średniej podczerwieni (długości fali 5,6–25 mikrometrów) za pomocą instrumentu MIRI (Mid-Infrared Instrument) w ramach programu badawczego mającego na celu zgłębienie zagadki ciemnej materii. Ta niewidzialna forma materii odpowiada za większość masy Wszechświata i działa niczym kosmiczne spoiwo utrzymujące wszystko razem. Obserwacje kwazarów za pomocą JWST – w szczególności RX J1131 – pozwalają astronomom badać naturę ciemnej materii w mniejszych skalach niż kiedykolwiek wcześniej.
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
• Discovering the Jewelled Ring: Webb’s Stunning Image of RX J1131-1231
• Jewelled ring
• RX J1131-1231: Chandra & XMM-Newton Provide Direct Measurement of Distant Black Hole's Spin
• Different types of gravitational lenses
Źródło: ESA/Webb, NASA & CSA, A. Nierenberg
Na ilustracji: Uzyskany za pomocą JWST obraz w podczerwieni galaktyki zniekształconej przez soczewkowanie grawitacyjne w kształt ciemnego pierścienia. Na górze tego pierścienia znajdują się trzy bardzo jasne plamki świetlne z wychodzącymi z nich wielokrotnymi promieniami dyfrakcyjnymi oraz słabsza plamka po drugiej jego stronie. Są to cztery kopie pojedynczego kwazara RX J1131-1231 znajdującego się w soczewkowanej galaktyce, które zostały zwielokrotnione przez soczewkę grawitacyjną. Soczewką jest galaktyka eliptyczna znajdująca się w centrum pierścienia – wygląda ona jak mała niebieska kropka. Na obrazie barwie niebieskiej odpowiada długość fali w średniej podczerwieni 5,6 mikrometra, barwie zielonej – 12 mikrometrów, barwie czerwonej – 18 mikrometrów oraz 25 mikrometrów. Źródło: ESA/Webb, NASA & CSA, A. Nierenberg
