Astronomie

À quel point les quasars auraient-ils été proches les uns des autres ?

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Je crois comprendre que les quasars sont la première phase de formation des galaxies.

Au moment où les quasars se formaient, l'univers aurait été plus petit et donc les choses plus proches les unes des autres.

À quel point les quasars auraient-ils été proches les uns des autres ?


C'est une image de deux quasars, très proches l'un de l'autre, "séparés dans le ciel d'environ 70 000 années-lumière".

Selon cet article, la densité maximale aurait dû être d'environ 10 $^{-6}$ de quasars par Mpc, ce qui donne une distance moyenne maximale entre deux quasars d'environ 100 Mpc. (Une densité de quasars de $10^{-6}$ par Mpc donne un quasar par cube de $10^6 Mpc^3$, donc en moyenne un quasar chaque $sqrt[3]{10^6 mbox{Mpc}^ 3}=100 mbox{ Mpc}$)

Avec environ 1 million de quasars connus dans l'univers observable, j'obtiens une distance moyenne d'environ la moitié de cette distance. (Avec une distance de déplacement de la lumière considérée d'environ 4 $ mbox{ Gpc} = 4cdot 3,26 mbox{ Gly} = 13,04mbox{ Gly},~~$ un peu moins que le rayon de déplacement de la lumière de 13,81 Gly de l'observable univers, le volume d'une sphère avec ce rayon est d'environ $frac{4}{3}pi(4cdot 10^3 mbox{Mpc})^3=2.68cdot 10^{11}mbox{ Mpc}^3$. Avec 1 million de quasars, cela fait environ un quasar pour 268000 $ mbox{ Mpc}^3$ ou un quasar pour $sqrt[3]{268000 mbox{ Mpc}^3}=64mbox{ Mpc}$ dans une dimension. En raison de la fréquence des quasars non constante au cours du temps cosmique, la distance moyenne minimale aurait dû être inférieure à cette distance moyenne globale. L'utilisation de la distance de déplacement de la lumière considère la densité plus élevée de l'univers antérieur mieux que la distance de déplacement de 13,8 milliards d'années après le big bang. 4 Gpc sont utilisés comme rayon de déplacement de la lumière pour restreindre approximativement au redshift z < 7, la plage où les quasars ont été observés. Un calculateur de redshift peut être trouvé par exemple ici, prenez $H_0=70.4$, $ Omega_m = 0,265$, $Omega_{Lambda}=0,728$, et $z=7$.)

La densité numérique maximale semble se situer quelque part entre un décalage vers le rouge de 2,0 et 2,5 (en interprétant l'article). S'il s'avère, par des observations futures, que le pic de densité numérique a été plus tôt dans l'univers, nous obtenons des distances moyennes de pic beaucoup plus courtes.

Vous avez donc au moins un ordre de grandeur : quelque part entre 150 et 300 millions d'années-lumière (entre 50 et 100 Mpc, 1 parsec équivaut à 3,26 années-lumière) aurait dû être la distance moyenne maximale entre deux quasars. Peut-être que cette estimation diminuera avec le temps, à mesure que de plus en plus de quasars (lointains) seront connus.


Les quasars sont simplement des noyaux galactiques actifs (AGN) vus sous l'angle d'inclinaison correct de la terre. Les quasars ne sont pas « la première phase de formation des galaxies ». On pense actuellement que la plupart des galaxies (sinon toutes) contiennent un trou noir supermassif en leur centre - par exemple, au centre de la Voie lactée se trouve le Sagittaire A* (Sgr A*), qui est considéré comme un trou noir avec une masse de $sim !4.6 imes 10^6$ masses solaires ! Cependant, Sgr A* n'est actuellement pas actif.

La réponse à votre question est que les AGN ne sont généralement aussi proches que les galaxies les unes des autres. C'est vrai quand l'univers était plus jeune, les galaxies étaient plus proches les unes des autres. Cependant, comme le montre le lien de Gerald, les galaxies entrent toujours en collision aujourd'hui, donc parfois AGN peut devenir très proche et peut même fusionner pour former un trou noir supermassif encore plus grand.

Notez également selon notre compréhension actuelle de l'histoire de l'univers, les galaxies et les AGN ne se sont pas formés tout de suite. Pour que les galaxies se forment, des perturbations de la matière noire ont dû se développer qui ont accrété de la matière baryonique, qui s'est ensuite refroidie et condensée pour former des galaxies. La formation de trous noirs supermassifs prend également du temps. Tout d'abord, vous devez créer un trou noir, qui est formé de supernovae d'étoiles en effondrement de cœur. Ensuite, ce trou noir doit accumuler de la masse pour devenir grand, et les trous noirs plus petits sont en fait moins efficaces pour accumuler la masse des nuages ​​de gaz environnants que les plus gros. Par conséquent, il n'y a jamais eu de période où la plupart des trous noirs supermassifs (et donc des quasars) se sont superposés.


Hubble repère des quasars doubles dans des galaxies en fusion

La conception de cet artiste montre la lumière brillante de deux quasars résidant dans les noyaux de deux galaxies qui sont dans un processus chaotique de fusion. Le bras de fer gravitationnel entre les deux galaxies les étire, formant de longues queues de marée et déclenchant une tempête de feu de naissance d'étoiles. Les quasars sont des balises brillantes de lumière intense provenant des centres de galaxies lointaines. Ils sont alimentés par des trous noirs supermassifs qui se nourrissent voracement de matière en chute libre. Cette frénésie alimentaire déclenche un torrent de radiations qui peuvent éclipser la lumière collective de milliards d'étoiles de la galaxie hôte. Dans quelques dizaines de millions d'années, les trous noirs et leurs galaxies fusionneront, de même que la paire de quasars, formant un trou noir encore plus massif. Une séquence d'événements similaire se produira dans quelques milliards d'années lorsque notre galaxie de la Voie lactée fusionnera avec la galaxie voisine d'Andromède.
Crédit : NASA, ESA et J. Olmsted (STScI)

Le télescope spatial Hubble de la NASA voit double. En examinant 10 milliards d'années dans le passé, les astronomes de Hubble ont découvert une paire de quasars si proches les uns des autres qu'ils ressemblent à un seul objet dans le sol. basées sur des photos télescopiques, mais pas dans la vue nette de Hubble.

Les chercheurs pensent que les quasars sont très proches les uns des autres car ils résident dans les noyaux de deux galaxies en fusion. L'équipe a ensuite remporté le « double quotidien » en trouvant une autre paire de quasars dans un autre duo de galaxies en collision.

Un quasar est un phare brillant de lumière intense provenant du centre d'une galaxie lointaine qui peut éclipser toute la galaxie. Il est alimenté par un trou noir supermassif se nourrissant voracement de matière gonflée, libérant un torrent de radiations.

« Nous estimons que dans l'univers lointain, pour 1 000 quasars, il y a un double quasar. Donc, trouver ces doubles quasars, c'est comme trouver une aiguille dans une botte de foin », a déclaré le chercheur principal Yue Shen de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

La découverte de ces quatre quasars offre une nouvelle façon de sonder les collisions entre les galaxies et la fusion des trous noirs supermassifs dans l'univers primitif, selon les chercheurs.

Les quasars sont dispersés dans tout le ciel et étaient les plus abondants il y a 10 milliards d'années. Il y avait beaucoup de fusions de galaxies à l'époque qui alimentaient les trous noirs. Par conséquent, les astronomes pensent qu'il aurait dû y avoir de nombreux quasars doubles pendant cette période.

"C'est vraiment le premier échantillon de quasars doubles à l'époque de pointe de la formation des galaxies avec lequel nous pouvons utiliser pour sonder des idées sur la façon dont les trous noirs supermassifs se réunissent pour finalement former un binaire", a déclaré Nadia Zakamska, membre de l'équipe de recherche de Johns. Université Hopkins à Baltimore, Maryland.

Les résultats de l'équipe ont été publiés dans le numéro en ligne du 1er avril de la revue Nature Astronomy.

Shen et Zakamska sont membres d'une équipe qui utilise Hubble, l'observatoire spatial Gaia de l'Agence spatiale européenne et le Sloan Digital Sky Survey, ainsi que plusieurs télescopes au sol, pour compiler un recensement robuste des paires de quasars au début univers.

Les observations sont importantes car le rôle d'un quasar dans les rencontres galactiques joue un rôle essentiel dans la formation des galaxies, selon les chercheurs. Alors que deux galaxies proches commencent à se déformer gravitationnellement, leur interaction achemine de la matière dans leurs trous noirs respectifs, enflammant leurs quasars.

Au fil du temps, le rayonnement de ces "ampoules à haute intensité" lance de puissants vents galactiques, qui balayent la majeure partie du gaz des galaxies en fusion. Privées de gaz, la formation des étoiles cesse et les galaxies évoluent en galaxies elliptiques.

"Les quasars ont un impact profond sur la formation des galaxies dans l'univers", a déclaré Zakamska. “Trouver des quasars doubles à cette époque précoce est important car nous pouvons maintenant tester nos idées de longue date sur la façon dont les trous noirs et leurs galaxies hôtes évoluent ensemble.”

Les astronomes ont découvert jusqu'à présent plus de 100 quasars doubles dans des galaxies en fusion. Cependant, aucun d'entre eux n'est aussi ancien que les deux doubles quasars de cette étude.

Les images de Hubble montrent que les quasars au sein de chaque paire ne sont distants que d'environ 10 000 années-lumière. En comparaison, notre Soleil est à 26 000 années-lumière du trou noir supermassif au centre de notre galaxie.

Les paires de galaxies hôtes finiront par fusionner, puis les quasars fusionneront également, résultant en un trou noir solitaire encore plus massif.

Les trouver n'a pas été facile. Hubble est le seul télescope doté d'une vision suffisamment nette pour regarder en arrière dans l'univers primitif et distinguer deux quasars proches qui sont si éloignés de la Terre. Cependant, la résolution nette de Hubble à elle seule n'est pas assez bonne pour trouver ces balises lumineuses doubles.

Les astronomes devaient d'abord déterminer où pointer Hubble pour les étudier. Le défi est que le ciel est recouvert d'une tapisserie d'anciens quasars qui ont pris vie il y a 10 milliards d'années, dont seule une infime fraction est double. Il a fallu une technique imaginative et innovante qui a nécessité l'aide du satellite Gaia de l'Agence spatiale européenne et du Sloan Digital Sky Survey au sol pour compiler un groupe de candidats potentiels à observer par Hubble.

Situé à l'observatoire Apache Point au Nouveau-Mexique, le télescope Sloan produit des cartes tridimensionnelles d'objets dans le ciel. L'équipe s'est penchée sur l'enquête Sloan pour identifier les quasars à étudier de plus près.

Les chercheurs ont ensuite fait appel à l'observatoire Gaia pour aider à identifier les candidats potentiels au double quasar. Gaia mesure très précisément les positions, les distances et les mouvements des objets célestes proches. Mais l'équipe a conçu une nouvelle application innovante pour Gaia qui pourrait être utilisée pour explorer l'univers lointain. Ils ont utilisé la base de données de l'observatoire pour rechercher des quasars qui imitent le mouvement apparent des étoiles proches. Les quasars apparaissent comme des objets uniques dans les données Gaia. Cependant, Gaïa peut capter un subtil et inattendu "secouer" dans la position apparente de certains des quasars qu'elle observe.

Les quasars ne se déplacent pas dans l'espace de manière mesurable, mais au lieu de cela, leur tremblement pourrait être la preuve de fluctuations aléatoires de la lumière, car chaque membre de la paire de quasars varie en luminosité. Les quasars scintillent en luminosité sur des échelles de temps allant du jour au mois, en fonction du programme d'alimentation de leur trou noir.

Cette luminosité alternée entre la paire de quasars est similaire à la visualisation d'un signal de passage à niveau à distance. Comme les lumières des deux côtés du signal stationnaire clignotent alternativement, le signe donne l'illusion de "secouer".

Lorsque les quatre premières cibles ont été observées avec Hubble, sa vision nette a révélé que deux des cibles sont deux paires proches de quasars. Les chercheurs ont déclaré que c'était un "moment d'ampoule" qui a vérifié leur plan d'utiliser Sloan, Gaia et Hubble pour chasser les anciennes et insaisissables doubles centrales électriques.

Xin Liu, membre de l'équipe de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, a qualifié la confirmation de Hubble de "bonne surprise". Elle a longtemps recherché les doubles quasars plus proches de la Terre en utilisant différentes techniques avec des télescopes au sol. « La nouvelle technique peut non seulement découvrir les quasars doubles beaucoup plus loin, mais elle est beaucoup plus efficace que les méthodes que nous avons utilisées auparavant », a-t-elle déclaré.

Leur article Nature Astronomy est une « preuve de concept qui démontre vraiment que notre recherche ciblée de quasars doubles est très efficace », a déclaré Hsiang-Chih Hwang, membre de l'équipe, étudiant diplômé à l'Université Johns Hopkins et chercheur principal du Hubble. programme. "Cela ouvre une nouvelle direction où nous pouvons accumuler beaucoup plus de systèmes intéressants à suivre, ce que les astronomes n'étaient pas en mesure de faire avec les techniques ou les ensembles de données précédents."

L'équipe a également obtenu des observations de suivi avec les télescopes Gemini de la National Science Foundation NOIRLab’s. "La spectroscopie spatialement résolue des Gémeaux peut rejeter sans ambiguïté les intrus en raison de superpositions fortuites de systèmes étoile-quasar non associés, où l'étoile de premier plan est alignée par coïncidence avec le quasar d'arrière-plan", a déclaré Yu-Ching Chen, membre de l'équipe, un étudiant diplômé. à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

Bien que l'équipe soit convaincue de leur résultat, ils disent qu'il y a une faible chance que les instantanés de Hubble aient capturé des images doubles du même quasar, une illusion causée par la lentille gravitationnelle. Ce phénomène se produit lorsque la gravité d'une galaxie massive de premier plan se divise et amplifie la lumière du quasar d'arrière-plan en deux images miroir. Cependant, les chercheurs pensent que ce scénario est hautement improbable car Hubble n'a détecté aucune galaxie de premier plan à proximité des deux paires de quasars.

Les fusions galactiques étaient plus abondantes il y a des milliards d'années, mais quelques-unes se produisent encore aujourd'hui. Un exemple est NGC 6240, un système proche de galaxies en fusion qui a deux et peut-être même trois trous noirs supermassifs. Une fusion galactique encore plus proche se produira dans quelques milliards d'années lorsque notre galaxie de la Voie lactée entrera en collision avec la galaxie voisine d'Andromède. La lutte galactique alimenterait probablement les trous noirs supermassifs au cœur de chaque galaxie, les enflammant comme des quasars.

Les futurs télescopes pourraient offrir un meilleur aperçu de ces systèmes de fusion. Le télescope spatial James Webb de la NASA, un observatoire infrarouge dont le lancement est prévu plus tard cette année, sondera les galaxies hôtes des quasars. Webb montrera les signatures des fusions galactiques, telles que la distribution de la lumière des étoiles et les longues flûtes de gaz tirées des galaxies en interaction.

Le télescope spatial Hubble est un projet de coopération internationale entre la NASA et l'ESA (Agence spatiale européenne). Le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, gère le télescope. Le Space Telescope Science Institute (STScI) à Baltimore, Maryland, mène des opérations scientifiques Hubble. STScI est exploité pour la NASA par l'Association des universités pour la recherche en astronomie à Washington, D.C.

Illustration de l'artiste : NASA, ESA et J. Olmsted (STScI)

Sciences : NASA, ESA, Y. Shen et X. Liu (Université de l'Illinois, Urbana-Champaign), et H.-C. Hwang et N. Zakamska (Université Johns Hopkins)

Contacts médias :

Claire Andréoli
Centre de vol spatial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland
301-286-1940
[email protected]

Donna Weaver / Ray Villard
Institut scientifique du télescope spatial, Baltimore, Maryland
410-338-4493 / 410-338-4514
[email protected] / [email protected]

Contacts scientifiques :

Yue Shen / Xin Liu
Université de l'Illinois, Urbana-Champaign
[email protected] / [email protected]

Hsiang-Chih Hwang / Nadia Zakamska
Université Johns Hopkins, Baltimore, Maryland
hch


Hubble repère les doubles quasars dans les galaxies en fusion

Le télescope spatial Hubble de la NASA "voit double". En examinant 10 milliards d'années dans le passé de l'univers, les astronomes de Hubble ont trouvé une paire de quasars si proches l'un de l'autre qu'ils ressemblent à un seul objet sur des photos télescopiques au sol, mais pas dans la vue nette de Hubble.

Les chercheurs pensent que les quasars sont très proches les uns des autres car ils résident dans les noyaux de deux galaxies en fusion. L'équipe a ensuite remporté le "double quotidien" en trouvant une autre paire de quasars dans un autre duo de galaxies en collision.

Un quasar est un phare brillant de lumière intense provenant du centre d'une galaxie lointaine qui peut éclipser toute la galaxie. Il est alimenté par un trou noir supermassif se nourrissant voracement de matière gonflée, libérant un torrent de radiations.

Marché des charges utiles par satellite – Prévisions jusqu'en 2026

par type (communication, imagerie, charge utile définie par logiciel, navigation), satellite (CubeSat, petit satellite, satellite moyen, grand satellite), orbite, application, utilisateur final, fréquence et région

"Nous estimons que dans l'univers lointain, pour 1 000 quasars, il y a un quasar double. Donc, trouver ces doubles quasars, c'est comme trouver une aiguille dans une botte de foin », a déclaré le chercheur principal Yue Shen de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

La découverte de ces quatre quasars offre une nouvelle façon de sonder les collisions entre les galaxies et la fusion des trous noirs supermassifs dans l'univers primitif, selon les chercheurs.

Les quasars sont dispersés dans tout le ciel et étaient les plus abondants il y a 10 milliards d'années. Il y avait beaucoup de fusions de galaxies à l'époque qui alimentaient les trous noirs. Par conséquent, les astronomes pensent qu'il aurait dû y avoir de nombreux quasars doubles pendant cette période.

"C'est vraiment le premier échantillon de quasars doubles à l'époque de pointe de la formation des galaxies avec lequel nous pouvons utiliser pour sonder des idées sur la façon dont les trous noirs supermassifs se réunissent pour finalement former un binaire", a déclaré Nadia Zakamska, membre de l'équipe de recherche de l'Université Johns Hopkins à Baltimore. , Maryland.

Les résultats de l'équipe ont été publiés dans le numéro en ligne du 1er avril de la revue Nature Astronomy.

Shen et Zakamska sont membres d'une équipe qui utilise Hubble, l'observatoire spatial Gaia de l'Agence spatiale européenne et le Sloan Digital Sky Survey, ainsi que plusieurs télescopes au sol, pour compiler un solide recensement des paires de quasars au début univers.

Les observations sont importantes car le rôle d'un quasar dans les rencontres galactiques joue un rôle essentiel dans la formation des galaxies, selon les chercheurs. Alors que deux galaxies proches commencent à se déformer gravitationnellement, leur interaction achemine de la matière dans leurs trous noirs respectifs, enflammant leurs quasars.

Au fil du temps, le rayonnement de ces « ampoules » à haute intensité lance de puissants vents galactiques, qui balayent la majeure partie du gaz des galaxies en fusion. Privées de gaz, la formation des étoiles cesse et les galaxies évoluent en galaxies elliptiques.

"Les quasars ont un impact profond sur la formation des galaxies dans l'univers", a déclaré Zakamska. "Trouver des quasars doubles à cette époque précoce est important car nous pouvons maintenant tester nos idées de longue date sur la façon dont les trous noirs et leurs galaxies hôtes évoluent ensemble."

Les astronomes ont découvert jusqu'à présent plus de 100 quasars doubles dans des galaxies en fusion. Cependant, aucun d'entre eux n'est aussi ancien que les deux doubles quasars de cette étude.

Les images de Hubble montrent que les quasars au sein de chaque paire ne sont distants que d'environ 10 000 années-lumière. En comparaison, notre Soleil est à 26 000 années-lumière du trou noir supermassif au centre de notre galaxie.

Les paires de galaxies hôtes finiront par fusionner, puis les quasars fusionneront également, résultant en un trou noir solitaire encore plus massif.

Les trouver n'a pas été facile. Hubble est le seul télescope doté d'une vision suffisamment nette pour regarder en arrière dans l'univers primitif et distinguer deux quasars proches qui sont si éloignés de la Terre. Cependant, la résolution nette de Hubble à elle seule n'est pas suffisante pour trouver ces balises lumineuses doubles.

Les astronomes devaient d'abord déterminer où pointer Hubble pour les étudier. Le défi est que le ciel est recouvert d'une tapisserie d'anciens quasars qui ont pris vie il y a 10 milliards d'années, dont seule une infime fraction est double. Il a fallu une technique imaginative et innovante qui a nécessité l'aide du satellite Gaia de l'Agence spatiale européenne et du Sloan Digital Sky Survey au sol pour compiler un groupe de candidats potentiels à observer par Hubble.

Situé à l'observatoire Apache Point au Nouveau-Mexique, le télescope Sloan produit des cartes tridimensionnelles d'objets dans le ciel. L'équipe s'est penchée sur l'enquête Sloan pour identifier les quasars à étudier de plus près.

Les chercheurs ont ensuite fait appel à l'observatoire Gaia pour aider à identifier les candidats potentiels au double quasar. Gaia mesure très précisément les positions, les distances et les mouvements des objets célestes proches. Mais l'équipe a conçu une nouvelle application innovante pour Gaia qui pourrait être utilisée pour explorer l'univers lointain. Ils ont utilisé la base de données de l'observatoire pour rechercher des quasars qui imitent le mouvement apparent des étoiles proches. Les quasars apparaissent comme des objets uniques dans les données Gaia. Cependant, Gaïa peut capter un « spotage » subtil et inattendu dans la position apparente de certains des quasars qu’elle observe.

Les quasars ne se déplacent pas dans l'espace de manière mesurable, mais à la place, leur tremblement pourrait être la preuve de fluctuations aléatoires de la lumière, car chaque membre de la paire de quasars varie en luminosité. Les quasars scintillent en luminosité sur des échelles de temps allant du jour au mois, en fonction du programme d'alimentation de leur trou noir.

Cette luminosité alternée entre la paire de quasars est similaire à la visualisation d'un signal de passage à niveau à distance. Comme les lumières des deux côtés du signal stationnaire clignotent alternativement, le signe donne l'illusion de "secouer".

Lorsque les quatre premières cibles ont été observées avec Hubble, sa vision nette a révélé que deux des cibles sont deux paires proches de quasars. Les chercheurs ont déclaré que c'était un "moment d'ampoule" qui a vérifié leur plan d'utiliser Sloan, Gaia et Hubble pour chasser les anciennes et insaisissables doubles centrales électriques.

Xin Liu, membre de l'équipe de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, a qualifié la confirmation de Hubble de "bonne surprise". Elle a longtemps recherché des quasars doubles plus proches de la Terre en utilisant différentes techniques avec des télescopes au sol. "La nouvelle technique peut non seulement découvrir les quasars doubles beaucoup plus loin, mais elle est beaucoup plus efficace que les méthodes que nous utilisions auparavant", a-t-elle déclaré.

Leur article Nature Astronomy est une "preuve de concept qui démontre vraiment que notre recherche ciblée de quasars doubles est très efficace", a déclaré Hsiang-Chih Hwang, membre de l'équipe, étudiant diplômé à l'Université Johns Hopkins et chercheur principal du programme Hubble. "Cela ouvre une nouvelle direction où nous pouvons accumuler beaucoup plus de systèmes intéressants à suivre, ce que les astronomes n'étaient pas en mesure de faire avec des techniques ou des ensembles de données antérieurs."

L'équipe a également obtenu des observations de suivi avec les télescopes Gemini de la National Science Foundation NOIRLab. "La spectroscopie à résolution spatiale Gemini peut rejeter sans ambiguïté les intrus en raison de superpositions fortuites de systèmes étoile-quasar non associés, où l'étoile de premier plan est alignée par coïncidence avec le quasar d'arrière-plan", a déclaré le membre de l'équipe Yu-Ching Chen, étudiant diplômé de l'Université de l'Illinois à Urbana-Campaign.

Bien que l'équipe soit convaincue de leur résultat, ils disent qu'il y a une faible chance que les instantanés de Hubble aient capturé des images doubles du même quasar, une illusion causée par la lentille gravitationnelle. Ce phénomène se produit lorsque la gravité d'une galaxie massive de premier plan se divise et amplifie la lumière du quasar d'arrière-plan en deux images miroir. Cependant, les chercheurs pensent que ce scénario est hautement improbable car Hubble n'a détecté aucune galaxie de premier plan à proximité des deux paires de quasars.

Les fusions galactiques étaient plus abondantes il y a des milliards d'années, mais quelques-unes se produisent encore aujourd'hui. Un exemple est NGC 6240, un système proche de galaxies en fusion qui a deux et peut-être même trois trous noirs supermassifs. Une fusion galactique encore plus proche se produira dans quelques milliards d'années lorsque notre galaxie de la Voie lactée entrera en collision avec la galaxie voisine d'Andromède. La lutte galactique alimenterait probablement les trous noirs supermassifs au cœur de chaque galaxie, les enflammant comme des quasars.

Les futurs télescopes pourraient offrir un meilleur aperçu de ces systèmes de fusion. Le télescope spatial James Webb de la NASA, un observatoire infrarouge dont le lancement est prévu plus tard cette année, sondera les galaxies hôtes des quasars. Webb montrera les signatures des fusions galactiques, telles que la distribution de la lumière des étoiles et les longues flûtes de gaz tirées des galaxies en interaction.


Hubble repère des quasars doubles dans des galaxies en fusion

Le télescope spatial Hubble de la NASA voit double. En examinant 10 milliards d'années dans le passé, les astronomes de Hubble ont découvert une paire de quasars si proches l'un de l'autre qu'ils ressemblent à un seul objet dans le sol. basées sur des photos télescopiques, mais pas dans la vue nette de Hubble.

Les chercheurs pensent que les quasars sont très proches les uns des autres car ils résident dans les noyaux de deux galaxies en fusion. L'équipe a ensuite remporté le « double quotidien » en trouvant une autre paire de quasars dans un autre duo de galaxies en collision.

Un quasar est un phare brillant de lumière intense provenant du centre d'une galaxie lointaine qui peut éclipser toute la galaxie. Il est alimenté par un trou noir supermassif se nourrissant voracement de matière gonflée, libérant un torrent de radiations.

« Nous estimons que dans l'univers lointain, pour 1 000 quasars, il y a un double quasar. Donc, trouver ces doubles quasars, c'est comme trouver une aiguille dans une botte de foin », a déclaré le chercheur principal Yue Shen de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

La découverte de ces quatre quasars offre une nouvelle façon de sonder les collisions entre les galaxies et la fusion des trous noirs supermassifs dans l'univers primitif, selon les chercheurs.

Les quasars sont dispersés dans tout le ciel et étaient les plus abondants il y a 10 milliards d'années. Il y avait beaucoup de fusions de galaxies à l'époque qui alimentaient les trous noirs. Par conséquent, les astronomes pensent qu'il aurait dû y avoir de nombreux quasars doubles pendant cette période.

"C'est vraiment le premier échantillon de quasars doubles à l'époque de pointe de la formation des galaxies avec lequel nous pouvons utiliser pour sonder des idées sur la façon dont les trous noirs supermassifs se réunissent pour finalement former un binaire", a déclaré Nadia Zakamska, membre de l'équipe de recherche de Johns. Université Hopkins à Baltimore, Maryland.

Les résultats de l'équipe ont été publiés dans le numéro en ligne du 1er avril de la revue Nature Astronomy.

Shen et Zakamska sont membres d'une équipe qui utilise Hubble, l'observatoire spatial Gaia de l'Agence spatiale européenne et le Sloan Digital Sky Survey, ainsi que plusieurs télescopes au sol, pour compiler un recensement robuste des paires de quasars au début univers.

Les observations sont importantes car le rôle d'un quasar dans les rencontres galactiques joue un rôle essentiel dans la formation des galaxies, selon les chercheurs. Alors que deux galaxies proches commencent à se déformer gravitationnellement, leur interaction achemine de la matière dans leurs trous noirs respectifs, enflammant leurs quasars.

Au fil du temps, le rayonnement de ces "ampoules à haute intensité" lance de puissants vents galactiques, qui balayent la majeure partie du gaz des galaxies en fusion. Privées de gaz, la formation des étoiles cesse et les galaxies évoluent en galaxies elliptiques.

"Les quasars ont un impact profond sur la formation des galaxies dans l'univers", a déclaré Zakamska. “Trouver des quasars doubles à cette époque précoce est important car nous pouvons maintenant tester nos idées de longue date sur la façon dont les trous noirs et leurs galaxies hôtes évoluent ensemble.”

Les astronomes ont découvert jusqu'à présent plus de 100 quasars doubles dans des galaxies en fusion. Cependant, aucun d'entre eux n'est aussi ancien que les deux doubles quasars de cette étude.

Les images de Hubble montrent que les quasars au sein de chaque paire ne sont distants que d'environ 10 000 années-lumière. En comparaison, notre Soleil est à 26 000 années-lumière du trou noir supermassif au centre de notre galaxie.

Les paires de galaxies hôtes finiront par fusionner, puis les quasars fusionneront également, résultant en un trou noir solitaire encore plus massif.

Les trouver n'a pas été facile. Hubble est le seul télescope doté d'une vision suffisamment nette pour regarder en arrière dans l'univers primitif et distinguer deux quasars proches qui sont si éloignés de la Terre. Cependant, la résolution nette de Hubble à elle seule n'est pas assez bonne pour trouver ces balises lumineuses doubles.

Les astronomes devaient d'abord déterminer où pointer Hubble pour les étudier. Le défi est que le ciel est recouvert d'une tapisserie d'anciens quasars qui ont pris vie il y a 10 milliards d'années, dont seule une infime fraction est double. Il a fallu une technique imaginative et innovante qui a nécessité l'aide du satellite Gaia de l'Agence spatiale européenne et du Sloan Digital Sky Survey au sol pour compiler un groupe de candidats potentiels à observer par Hubble.

Situé à l'observatoire Apache Point au Nouveau-Mexique, le télescope Sloan produit des cartes tridimensionnelles d'objets dans le ciel. L'équipe s'est penchée sur l'enquête Sloan pour identifier les quasars à étudier de plus près.

Les chercheurs ont ensuite fait appel à l'observatoire Gaia pour aider à identifier les candidats potentiels au double quasar. Gaia mesure très précisément les positions, les distances et les mouvements des objets célestes proches. Mais l'équipe a conçu une nouvelle application innovante pour Gaia qui pourrait être utilisée pour explorer l'univers lointain. Ils ont utilisé la base de données de l'observatoire pour rechercher des quasars qui imitent le mouvement apparent des étoiles proches. Les quasars apparaissent comme des objets uniques dans les données Gaia. Cependant, Gaïa peut capter un subtil et inattendu "secouer" dans la position apparente de certains des quasars qu'elle observe.

Les quasars ne se déplacent pas dans l'espace de manière mesurable, mais au lieu de cela, leur tremblement pourrait être la preuve de fluctuations aléatoires de la lumière, car chaque membre de la paire de quasars varie en luminosité. Les quasars scintillent en luminosité sur des échelles de temps allant du jour au mois, en fonction du programme d'alimentation de leur trou noir.

Cette luminosité alternée entre la paire de quasars est similaire à la visualisation d'un signal de passage à niveau à distance. Comme les lumières des deux côtés du signal stationnaire clignotent alternativement, le signe donne l'illusion de "secouer".

Lorsque les quatre premières cibles ont été observées avec Hubble, sa vision nette a révélé que deux des cibles sont deux paires proches de quasars. Les chercheurs ont déclaré que c'était un "moment d'ampoule" qui a vérifié leur plan d'utiliser Sloan, Gaia et Hubble pour chasser les anciennes et insaisissables doubles centrales électriques.

Xin Liu, membre de l'équipe de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, a qualifié la confirmation de Hubble de "bonne surprise". Elle a longtemps recherché les doubles quasars plus proches de la Terre en utilisant différentes techniques avec des télescopes au sol. « La nouvelle technique peut non seulement découvrir les quasars doubles beaucoup plus loin, mais elle est beaucoup plus efficace que les méthodes que nous avons utilisées auparavant », a-t-elle déclaré.

Leur article Nature Astronomy est une « preuve de concept qui démontre vraiment que notre recherche ciblée de quasars doubles est très efficace », a déclaré Hsiang-Chih Hwang, membre de l'équipe, étudiant diplômé à l'Université Johns Hopkins et chercheur principal du Hubble. programme. "Cela ouvre une nouvelle direction où nous pouvons accumuler beaucoup plus de systèmes intéressants à suivre, ce que les astronomes n'étaient pas en mesure de faire avec les techniques ou les ensembles de données précédents."

L'équipe a également obtenu des observations de suivi avec les télescopes Gemini de la National Science Foundation NOIRLab’s. “Gemini’s spatially-resolved spectroscopy can unambiguously reject interlopers due to chance superpositions from unassociated star-quasar systems, where the foreground star is coincidentally aligned with the background quasar,” said team member Yu-Ching Chen, a graduate student at the University of Illinois at Urbana-Champaign.

Although the team is convinced of their result, they say there is a slight chance that the Hubble snapshots captured double images of the same quasar, an illusion caused by gravitational lensing. This phenomenon occurs when the gravity of a massive foreground galaxy splits and amplifies the light from the background quasar into two mirror images. However, the researchers think this scenario is highly unlikely because Hubble did not detect any foreground galaxies near the two quasar pairs.

Galactic mergers were more plentiful billions of years ago, but a few are still happening today. One example is NGC 6240, a nearby system of merging galaxies that has two and possibly even three supermassive black holes. An even closer galactic merger will occur in a few billion years when our Milky Way galaxy collides with neighboring Andromeda galaxy. The galactic tussle would likely feed the supermassive black holes in the core of each galaxy, igniting them as quasars.

Future telescopes may offer more insight into these merging systems. NASA’s James Webb Space Telescope, an infrared observatory scheduled to launch later this year, will probe the quasars’ host galaxies. Webb will show the signatures of galactic mergers, such as the distribution of starlight and the long streamers of gas pulled from the interacting galaxies.

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between NASA and ESA (European Space Agency). NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, manages the telescope. The Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, conducts Hubble science operations. STScI is operated for NASA by the Association of Universities for Research in Astronomy in Washington, D.C.

Artist’s Illustration: NASA, ESA, and J. Olmsted (STScI)

Science: NASA, ESA, Y. Shen and X. Liu (University of Illinois, Urbana-Champaign), and H.-C. Hwang and N. Zakamska (Johns Hopkins University)

Contacts médias :

NASA’s Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland

Donna Weaver / Ray Villard

Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland

Contacts scientifiques :

University of Illinois, Urbana-Champaign

Hsiang-Chih Hwang / Nadia Zakamska

Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland

Media Contact
Claire Andreoli
[email protected]

Original Source

https:/ / www. nasa. gov/ feature/ goddard/ 2021/ hubble-spots-double-quasars-in-merging-galaxies


Hubble Spots Double Quasars in Merging Galaxies

This simulation shows the brilliant, flickering light from a pair of quasars. Astronomers in a recent study deduced that the blinking light is a telltale sign of the presence of two quasars and not a single object. Quasars reside at the hearts of galaxies. They are ignited by monster black holes voraciously feeding on infalling matter, unleashing a torrent of radiation. A quasar's light fluctuates in brightness based on how much material its black hole is gobbling up at the time. This quasar pair is pouring out light because their galaxies are in the process of merging, which provides plenty of fuel for their hungry black holes. The quasars appear close together because they, too, are in the process of merging, along with their galaxies. The quasars were first identified by the European Space Agency's Gaia spacecraft, which measures small changes in the brightness of stars. The quasar pair is too far away for Gaia to resolve. Instead, the pair looks like a single bright object. However, Gaia also measured an apparent "jiggle" in the light. The "jiggle" is a signal of the independent flickering light between two separate quasars, similar to a pair of alternating lights on a railroad-crossing signal. The Hubble Space Telescope is sharp enough to resolve the quasar pair, which astronomers had suspected from the Gaia data.

Newswise — NASA's Hubble Space Telescope is "seeing double." Peering back 10 billion years into the universe's past. Hubble astronomers found a pair of quasars that are so close to each other they look like single object in ground-based telescopic photos, but not in Hubble&rsquos crisp view.

The researchers believe the quasars are very close to each other because they reside in the cores of two merging galaxies. The team went on to win the "daily double" by finding yet another quasar pair in another colliding galaxy duo.

A quasar is a brilliant beacon of intense light from the center of a distant galaxy that can outshine the entire galaxy. It is powered by a supermassive black hole voraciously feeding on inflating matter, unleashing a torrent of radiation.

"We estimate that in the distant universe, for every 1,000 quasars, there is one double quasar. So finding these double quasars is like finding a needle in a haystack," said lead researcher Yue Shen of the University of Illinois at Urbana-Champaign.

The discovery of these four quasars offers a new way to probe collisions among galaxies and the merging of supermassive black holes in the early universe, researchers say.

Quasars are scattered all across the sky and were most abundant 10 billion years ago. There were a lot of galaxy mergers back then feeding the black holes. Therefore, astronomers theorize there should have been many dual quasars during that time.

"This truly is the first sample of dual quasars at the peak epoch of galaxy formation with which we can use to probe ideas about how supermassive black holes come together to eventually form a binary," said research team member Nadia Zakamska of Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland.

The team's results appeared in the April 1 online issue of the journal Nature Astronomy.

Shen and Zakamska are members of a team that is using Hubble, the European Space Agency's Gaia space observatory, and the Sloan Digital Sky Survey, as well as several ground-based telescopes, to compile a robust census of quasar pairs in the early universe.

The observations are important because a quasar's role in galactic encounters plays a critical part in galaxy formation, the researchers say. As two close galaxies begin to distort each other gravitationally, their interaction funnels material into their respective black holes, igniting their quasars.

Over time, radiation from these high-intensity "light bulbs" launch powerful galactic winds, which sweep out most of the gas from the merging galaxies. Deprived of gas, star formation ceases, and the galaxies evolve into elliptical galaxies.

"Quasars make a profound impact on galaxy formation in the universe," Zakamska said. "Finding dual quasars at this early epoch is important because we can now test our long-standing ideas of how black holes and their host galaxies evolve together."

Astronomers have discovered more than 100 double quasars in merging galaxies so far. However, none of them reside as far back in time as the two double quasars in this study.

The Hubble images show that quasars within each pair are only about 10,000 light-years apart. By comparison, our Sun is 26,000 light-years from the supermassive black hole in the center of our galaxy.

The pairs of host galaxies will eventually merge, and then the quasars also will coalesce, resulting in an even more massive, single solitary black hole.

Finding them wasn't easy. Hubble is the only telescope with vision sharp enough to peer back to the early universe and distinguish two close quasars that are so far away from Earth. However, Hubble's sharp resolution alone isn't good enough to find these dual light beacons.

Astronomers first needed to figure out where to point Hubble to study them. The challenge is that the sky is blanketed with a tapestry of ancient quasars that flared to life 10 billion years ago, only a tiny fraction of which are dual. It took an imaginative and innovative technique that required the help of the European Space Agency's Gaia satellite and the ground-based Sloan Digital Sky Survey to compile a group of potential candidates for Hubble to observe.

Located at Apache Point Observatory in New Mexico, the Sloan telescope produces three-dimensional maps of objects throughout the sky. The team poured through the Sloan survey to identify the quasars to study more closely.

The researchers then enlisted the Gaia observatory to help pinpoint potential double-quasar candidates. Gaia measures the positions, distances, and motions of nearby celestial objects very precisely. But the team devised a new, innovative application for Gaia that could be used for exploring the distant universe. They used the observatory's database to search for quasars that mimic the apparent motion of nearby stars. The quasars appear as single objects in the Gaia data. However, Gaia can pick up a subtle, unexpected "jiggle" in the apparent position of some of the quasars it observes.

The quasars aren't moving through space in any measurable way, but instead their jiggle could be evidence of random fluctuations of light as each member of the quasar pair varies in brightness. Quasars flicker in brightness on timescales of days to months, depending on their black hole's feeding schedule.

This alternating brightness between the quasar pair is similar to seeing a railroad crossing signal from a distance. As the lights on both sides of the stationary signal alternately flash, the sign gives the illusion of "jiggling."

When the first four targets were observed with Hubble, its crisp vision revealed that two of the targets are two close pairs of quasars. The researchers said it was a "light bulb moment" that verified their plan of using Sloan, Gaia, and Hubble to hunt for the ancient, elusive double powerhouses.

Team member Xin Liu of the University of Illinois at Urbana-Champaign called the Hubble confirmation a "happy surprise." She has long hunted for double quasars closer to Earth using different techniques with ground-based telescopes. "The new technique can not only discover dual quasars much further away, but it is much more efficient than the methods we've used before," she said.

Their Nature Astronomy article is a "proof of concept that really demonstrates that our targeted search for dual quasars is very efficient," said team member Hsiang-Chih Hwang, a graduate student at Johns Hopkins University and the principal investigator of the Hubble program. "It opens a new direction where we can accumulate a lot more interesting systems to follow up, which astronomers weren't able to do with previous techniques or datasets."

The team also obtained follow-up observations with the National Science Foundation NOIRLab's Gemini telescopes. "Gemini's spatially-resolved spectroscopy can unambiguously reject interlopers due to chance superpositions from unassociated star-quasar systems, where the foreground star is coincidentally aligned with the background quasar," said team member Yu-Ching Chen, a graduate student at the University of Illinois at Urbana-Champaign.

Although the team is convinced of their result, they say there is a slight chance that the Hubble snapshots captured double images of the same quasar, an illusion caused by gravitational lensing. This phenomenon occurs when the gravity of a massive foreground galaxy splits and amplifies the light from the background quasar into two mirror images. However, the researchers think this scenario is highly unlikely because Hubble did not detect any foreground galaxies near the two quasar pairs.

Galactic mergers were more plentiful billions of years ago, but a few are still happening today. One example is NGC 6240, a nearby system of merging galaxies that has two and possibly even three supermassive black holes. An even closer galactic merger will occur in a few billion years when our Milky Way galaxy collides with neighboring Andromeda galaxy. The galactic tussle would likely feed the supermassive black holes in the core of each galaxy, igniting them as quasars.

Future telescopes may offer more insight into these merging systems. NASA's James Webb Space Telescope, an infrared observatory scheduled to launch later this year, will probe the quasars' host galaxies. Webb will show the signatures of galactic mergers, such as the distribution of starlight and the long streamers of gas pulled from the interacting galaxies.

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between NASA and ESA (European Space Agency). NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, manages the telescope. The Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, conducts Hubble science operations. STScI is operated for NASA by the Association of Universities for Research in Astronomy in Washington, D.C.

For images and more information about the double quasars and Hubble, visit:


Quadruple quasar

The center of every galaxy boasts a supermassive black hole millions of times the mass of the sun. Material swirling around the rim of the black hole travels near the speed of light, emitting an enormous amount of energy before it is consumed. If the supply is large enough, it enters the quasar phase of its evolution, far outshining its parent galaxy to become one of the brightest objects in the universe.

But the lives of quasars are extremely brief according to Hennawi, a quasar shines somewhere between 10 million to 100 million years in the 10-billion-year lifetime of a galaxy. This makes the objects extremely rare and hard to find. Discovering four so close together came as something of a shock.

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Hennawi and his colleagues were studying 29 quasars in search of a nebula of cool hydrogen gas, known as Lyman-α (Lyman-alpha) nebulae, surrounding them. The bright light of a quasar can illuminate the gas around it, helping astronomers to better understand the properties of the gas.

Selecting one likely candidate, the team trained a Keck telescope in Hawaii on the object, and found one of the largest and brightest Lyman-α nebulae yet discovered. Inside the cloud of gas, the researchers identified not one but four tightly packed quasars, all lying surprisingly close together.

Nearly 500,000 quasars have been identified so far, but scientists know of only about a hundred binary quasars. Two triple quasar systems have been found since 2007. This, however, is the first known quadruple-quasar system.

The research is published online today (May 14) in the journal Science.

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The Birth of Black Holes and Galaxies

While the connection between quasars and galaxies is increasingly clear, the biggest puzzle of all—namely, how the supermassive black hole s in galaxies got started—remains unsolved. Observations show that they existed when the universe was very young. One dramatic example is the discovery of a quasar that was already shining when the universe was only 700 million years old. What does it take to create a large black hole so quickly? A related problem is that in order to eventually build black holes containing more than 2 billion solar masses, it is necessary to have giant “seed” black holes with masses at least 2000 times the mass of the Sun—and they must somehow have been created shortly after the expansion of the universe began.

Astronomers are now working actively to develop models for how these seed black holes might have formed. Theories suggest that galaxies formed from collapsing clouds of dark matter and gas. Some of the gas formed stars, but perhaps some of the gas settled to the center where it became so concentrated that it formed a black hole. If this happened, the black hole could form right away—although this requires that the gas should not be rotating very much initially.

A more likely scenario is that the gas will have some angular momentum (rotation) that will prevent direct collapse to a black hole. In that case, the very first generation of stars will form, and some of them, according to calculations, will have masses hundreds of times that of the Sun. When these stars finish burning hydrogen, just a few million years later, the supernovae they end with will create black holes a hundred or so times the mass of the Sun. These can then merge with others or accrete the rich gas supply available at these early times.

The challenge is growing these smaller black holes quickly enough to make the much larger black holes we see a few hundred million years later. It turns out to be difficult because there are limits on how fast they can accrete matter. These should make sense to you from what we discussed earlier in the chapter. If the rate of accretion becomes too high, then the energy streaming outward from the black hole’s accretion disk will become so strong as to blow away the infalling matter.

What if, instead, a collapsing gas cloud doesn’t form a black hole directly or break up and form a group of regular stars, but stays together and makes one fairly massive star embedded within a dense cluster of thousands of lower mass stars and large quantities of dense gas? The massive star will have a short lifetime and will soon collapse to become a black hole. It can then begin to attract the dense gas surrounding it. But calculations show that the gravitational attraction of the many nearby stars will cause the black hole to zigzag randomly within the cluster and will prevent the formation of an accretion disk. If there is no accretion disk, then matter can fall freely into the black hole from all directions. Calculations suggest that under these conditions, a black hole even as small as 10 times the mass of the Sun could grow to more than 10 billion times the mass of the Sun by the time the universe is a billion years old.

Scientists are exploring other ideas for how to form the seeds of supermassive black hole s, and this remains a very active field of research. Whatever mechanism caused the rapid formation of these supermassive black holes, they do give us a way to observe the youthful universe when it was only about five percent as old as it is now.


Zero Genie

Quasars are powered by supermassive black hole

ABOVE VIDEO: The Flickering Light of Dual Quasars.

(NASA) – NASA’s Hubble Space Telescope is “seeing double.” Peering back 10 billion years into the universe’s past, Hubble astronomers found a pair of quasars that are so close to each other they look like a single object in ground-based telescopic photos, but not in Hubble’s crisp view.

The researchers believe the quasars are very close to each other because they reside in the cores of two merging galaxies. The team went on to win the “daily double” by finding yet another quasar pair in another colliding galaxy duo.

A quasar is a brilliant beacon of intense light from the center of a distant galaxy that can outshine the entire galaxy. It is powered by a supermassive black hole voraciously feeding on inflating matter, unleashing a torrent of radiation.

“We estimate that in the distant universe, for every 1,000 quasars, there is one double quasar. So finding these double quasars is like finding a needle in a haystack,” said lead researcher Yue Shen of the University of Illinois at Urbana-Champaign.

The discovery of these four quasars offers a new way to probe collisions among galaxies and the merging of supermassive black holes in the early universe, researchers say.

Quasars are scattered all across the sky and were most abundant 10 billion years ago. There were a lot of galaxy mergers back then feeding the black holes. (NASA image)

Quasars are scattered all across the sky and were most abundant 10 billion years ago. There were a lot of galaxy mergers back then feeding the black holes. Therefore, astronomers theorize there should have been many dual quasars during that time.

“This truly is the first sample of dual quasars at the peak epoch of galaxy formation with which we can use to probe ideas about how supermassive black holes come together to eventually form a binary,” said research team member Nadia Zakamska of Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland.

The team’s results appeared in the April 1 online issue of the journal Nature Astronomy.

Shen and Zakamska are members of a team that is using Hubble, the European Space Agency’s Gaia space observatory, and the Sloan Digital Sky Survey, as well as several ground-based telescopes, to compile a robust census of quasar pairs in the early universe.

The observations are important because a quasar’s role in galactic encounters plays a critical part in galaxy formation, the researchers say. As two close galaxies begin to distort each other gravitationally, their interaction funnels material into their respective black holes, igniting their quasars.

Over time, radiation from these high-intensity “light bulbs” launches powerful galactic winds, which sweep out most of the gas from the merging galaxies. Deprived of gas, star formation ceases, and the galaxies evolve into elliptical galaxies.

“Quasars make a profound impact on galaxy formation in the universe,” Zakamska said. “Finding dual quasars at this early epoch is important because we can now test our long-standing ideas of how black holes and their host galaxies evolve together.”

Astronomers have discovered more than 100 double quasars in merging galaxies so far. However, none of them is as old as the two double quasars in this study. (NASA image)

Astronomers have discovered more than 100 double quasars in merging galaxies so far. However, none of them is as old as the two double quasars in this study.

The Hubble images show that quasars within each pair are only about 10,000 light-years apart. By comparison, our Sun is 26,000 light-years from the supermassive black hole in the center of our galaxy.

The pairs of host galaxies will eventually merge, and then the quasars also will coalesce, resulting in an even more massive, single solitary black hole.

Finding them wasn’t easy. Hubble is the only telescope with vision sharp enough to peer back to the early universe and distinguish two close quasars that are so far away from Earth. However, Hubble’s sharp resolution alone isn’t good enough to find these dual light beacons.

Astronomers first needed to figure out where to point Hubble to study them. The challenge is that the sky is blanketed with a tapestry of ancient quasars that flared to life 10 billion years ago, only a tiny fraction of which are dual.

It took an imaginative and innovative technique that required the help of the European Space Agency’s Gaia satellite and the ground-based Sloan Digital Sky Survey to compile a group of potential candidates for Hubble to observe.

Located at Apache Point Observatory in New Mexico, the Sloan telescope produces three-dimensional maps of objects throughout the sky. The team pored through the Sloan survey to identify the quasars to study more closely.

The researchers then enlisted the Gaia observatory to help pinpoint potential double-quasar candidates. Gaia measures the positions, distances, and motions of nearby celestial objects very precisely.

But the team devised a new, innovative application for Gaia that could be used for exploring the distant universe. They used the observatory’s database to search for quasars that mimic the apparent motion of nearby stars.

The quasars appear as single objects in the Gaia data. However, Gaia can pick up a subtle, unexpected “jiggle” in the apparent position of some of the quasars it observes.

The quasars aren’t moving through space in any measurable way, but instead, their jiggle could be evidence of random fluctuations of light as each member of the quasar pair varies in brightness.

Quasars flicker in brightness on timescales of days to months, depending on their black hole’s feeding schedule.

This alternating brightness between the quasar pair is similar to seeing a railroad crossing signal from a distance. As the lights on both sides of the stationary signal alternately flash, the sign gives the illusion of “jiggling.”

When the first four targets were observed with Hubble, its crisp vision revealed that two of the targets are two close pairs of quasars. The researchers said it was a “light bulb moment” that verified their plan of using Sloan, Gaia, and Hubble to hunt for the ancient, elusive double powerhouses.

Team member Xin Liu of the University of Illinois at Urbana-Champaign called the Hubble confirmation a “happy surprise.” She has long hunted for double quasars closer to Earth using different techniques with ground-based telescopes.

“The new technique can not only discover dual quasars much further away, but it is much more efficient than the methods we’ve used before,” she said.

Their Nature Astronomy article is a “proof of concept that really demonstrates that our targeted search for dual quasars is very efficient,” said team member Hsiang-Chih Hwang, a graduate student at Johns Hopkins University and the principal investigator of the Hubble program.

“It opens a new direction where we can accumulate a lot more interesting systems to follow up, which astronomers weren’t able to do with previous techniques or datasets.”

The team also obtained follow-up observations with the National Science Foundation NOIRLab’s Gemini telescopes. “Gemini’s spatially-resolved spectroscopy can unambiguously reject interlopers due to chance superpositions from unassociated star-quasar systems, where the foreground star is coincidentally aligned with the background quasar,” said team member Yu-Ching Chen, a graduate student at the University of Illinois at Urbana-Champaign.

Although the team is convinced of their result, they say there is a slight chance that the Hubble snapshots captured double images of the same quasar, an illusion caused by gravitational lensing.

This phenomenon occurs when the gravity of a massive foreground galaxy splits and amplifies the light from the background quasar into two mirror images. However, the researchers think this scenario is highly unlikely because Hubble did not detect any foreground galaxies near the two quasar pairs.

Galactic mergers were more plentiful billions of years ago, but a few are still happening today. One example is NGC 6240, a nearby system of merging galaxies that has two and possibly even three supermassive black holes.

An even closer galactic merger will occur in a few billion years when our Milky Way galaxy collides with the neighboring Andromeda galaxy. The galactic tussle would likely feed the supermassive black holes in the core of each galaxy, igniting them as quasars.

Future telescopes may offer more insight into these merging systems. NASA’s James Webb Space Telescope, an infrared observatory scheduled to launch later this year, will probe the quasars’ host galaxies.

Webb will show the signatures of galactic mergers, such as the distribution of starlight and the long streamers of gas pulled from the interacting galaxies.

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between NASA and ESA (European Space Agency). NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, manages the telescope.


Hubble Spots Double Quasars in Merging Galaxies (Video)

NASA’s Hubble Space Telescope is “seeing double.” Peering back 10 billion years into the universe’s past. Hubble astronomers found a pair of quasars that are so close to each other they look like single object in ground-based telescopic photos, but not in Hubble’s crisp view.

The researchers believe the quasars are very close to each other because they reside in the cores of two merging galaxies. The team went on to win the “daily double” by finding yet another quasar pair in another colliding galaxy duo.

A quasar is a brilliant beacon of intense light from the center of a distant galaxy that can outshine the entire galaxy. It is powered by a supermassive black hole voraciously feeding on inflating matter, unleashing a torrent of radiation.

“We estimate that in the distant universe, for every 1,000 quasars, there is one double quasar. So finding these double quasars is like finding a needle in a haystack,” said lead researcher Yue Shen of the University of Illinois at Urbana-Champaign.

The discovery of these four quasars offers a new way to probe collisions among galaxies and the merging of supermassive black holes in the early universe, researchers say.

Quasars are scattered all across the sky and were most abundant 10 billion years ago. There were a lot of galaxy mergers back then feeding the black holes. Therefore, astronomers theorize there should have been many dual quasars during that time.

“This truly is the first sample of dual quasars at the peak epoch of galaxy formation with which we can use to probe ideas about how supermassive black holes come together to eventually form a binary,” said research team member Nadia Zakamska of Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland.

The team’s results appeared in the April 1 online issue of the journal Nature Astronomy.

Shen and Zakamska are members of a team that is using Hubble, the European Space Agency’s Gaia space observatory, and the Sloan Digital Sky Survey, as well as several ground-based telescopes, to compile a robust census of quasar pairs in the early universe.

The observations are important because a quasar’s role in galactic encounters plays a critical part in galaxy formation, the researchers say. As two close galaxies begin to distort each other gravitationally, their interaction funnels material into their respective black holes, igniting their quasars.

Over time, radiation from these high-intensity “light bulbs” launch powerful galactic winds, which sweep out most of the gas from the merging galaxies. Deprived of gas, star formation ceases, and the galaxies evolve into elliptical galaxies.

“Quasars make a profound impact on galaxy formation in the universe,” Zakamska said. “Finding dual quasars at this early epoch is important because we can now test our long-standing ideas of how black holes and their host galaxies evolve together.”

Astronomers have discovered more than 100 double quasars in merging galaxies so far. However, none of them reside as far back in time as the two double quasars in this study.

The Hubble images show that quasars within each pair are only about 10,000 light-years apart. By comparison, our Sun is 26,000 light-years from the supermassive black hole in the center of our galaxy.

The pairs of host galaxies will eventually merge, and then the quasars also will coalesce, resulting in an even more massive, single solitary black hole.

Finding them wasn’t easy. Hubble is the only telescope with vision sharp enough to peer back to the early universe and distinguish two close quasars that are so far away from Earth. However, Hubble’s sharp resolution alone isn’t good enough to find these dual light beacons.

Astronomers first needed to figure out where to point Hubble to study them. The challenge is that the sky is blanketed with a tapestry of ancient quasars that flared to life 10 billion years ago, only a tiny fraction of which are dual. It took an imaginative and innovative technique that required the help of the European Space Agency’s Gaia satellite and the ground-based Sloan Digital Sky Survey to compile a group of potential candidates for Hubble to observe.

Located at Apache Point Observatory in New Mexico, the Sloan telescope produces three-dimensional maps of objects throughout the sky. The team poured through the Sloan survey to identify the quasars to study more closely.

The researchers then enlisted the Gaia observatory to help pinpoint potential double-quasar candidates. Gaia measures the positions, distances, and motions of nearby celestial objects very precisely. But the team devised a new, innovative application for Gaia that could be used for exploring the distant universe. They used the observatory’s database to search for quasars that mimic the apparent motion of nearby stars. The quasars appear as single objects in the Gaia data. However, Gaia can pick up a subtle, unexpected “jiggle” in the apparent position of some of the quasars it observes.

The quasars aren’t moving through space in any measurable way, but instead their jiggle could be evidence of random fluctuations of light as each member of the quasar pair varies in brightness. Quasars flicker in brightness on timescales of days to months, depending on their black hole’s feeding schedule.

This alternating brightness between the quasar pair is similar to seeing a railroad crossing signal from a distance. As the lights on both sides of the stationary signal alternately flash, the sign gives the illusion of “jiggling.”

When the first four targets were observed with Hubble, its crisp vision revealed that two of the targets are two close pairs of quasars. The researchers said it was a “light bulb moment” that verified their plan of using Sloan, Gaia, and Hubble to hunt for the ancient, elusive double powerhouses.

Team member Xin Liu of the University of Illinois at Urbana-Champaign called the Hubble confirmation a “happy surprise.” She has long hunted for double quasars closer to Earth using different techniques with ground-based telescopes. “The new technique can not only discover dual quasars much further away, but it is much more efficient than the methods we’ve used before,” she said.

Their Nature Astronomy article is a “proof of concept that really demonstrates that our targeted search for dual quasars is very efficient,” said team member Hsiang-Chih Hwang, a graduate student at Johns Hopkins University and the principal investigator of the Hubble program. “It opens a new direction where we can accumulate a lot more interesting systems to follow up, which astronomers weren’t able to do with previous techniques or datasets.”

The team also obtained follow-up observations with the National Science Foundation NOIRLab’s Gemini telescopes. “Gemini’s spatially-resolved spectroscopy can unambiguously reject interlopers due to chance superpositions from unassociated star-quasar systems, where the foreground star is coincidentally aligned with the background quasar,” said team member Yu-Ching Chen, a graduate student at the University of Illinois at Urbana-Champaign.

Although the team is convinced of their result, they say there is a slight chance that the Hubble snapshots captured double images of the same quasar, an illusion caused by gravitational lensing. This phenomenon occurs when the gravity of a massive foreground galaxy splits and amplifies the light from the background quasar into two mirror images. However, the researchers think this scenario is highly unlikely because Hubble did not detect any foreground galaxies near the two quasar pairs.

Galactic mergers were more plentiful billions of years ago, but a few are still happening today. One example is NGC 6240, a nearby system of merging galaxies that has two and possibly even three supermassive black holes. An even closer galactic merger will occur in a few billion years when our Milky Way galaxy collides with neighboring Andromeda galaxy. The galactic tussle would likely feed the supermassive black holes in the core of each galaxy, igniting them as quasars.

Future telescopes may offer more insight into these merging systems. NASA’s James Webb Space Telescope, an infrared observatory scheduled to launch later this year, will probe the quasars’ host galaxies. Webb will show the signatures of galactic mergers, such as the distribution of starlight and the long streamers of gas pulled from the interacting galaxies.


Quasars – The worst kind of light pollution

We go stargazing in the Wairarapa every Friday and Saturday.

If you cannot make it to Wairarapa or New Zealand, you can still learn astronomy online with us with SLOOH.

There are some monster objects in the universe that are truly frightening in their power. A while ago at Milky-Way.Kiwi we had a look at the Super Massive Black Hole at the centre of our own galaxy but it’s these huge monsters (the Quasars) that are responsible for the brightest objects in the night sky. But don’t go rushing outside expecting to see any of these fantastic objects, you might be a little disappointed because they are a long distance away – it’s better to talk about them in terms of time. There is in fact one that can be easily seen with a telescope and the cool thing about it is that it’s the most distant object that an amateur astronomer can see. The other amazing thing about quasars is that they are super bright, so bright that they outshine their host galaxies. So what are these monsters of the deep (space)? And why do they put out so much energy that we can see them billions of light years away?

Our understanding of quasars started in 1963 when a radio source was examined in detail by Maarten Schmidt and was found to have a number of anomalies. For one, he determined that it had a significant red-shift, meaning it was a long way away, in fact a considerable long way outside of our own galaxy. Schmidt figured that this strange object had two possible explanations, it was either a star with a large gravitational red-shift or an active centre of a galaxy. The redshift he measured was calculated to be 0.158 which works out to be a velocity of 47,400km per second. That is the distance at which the quasar receded from us, how fast was rushing into the cosmic void. Cosmologists figured out that the relationship between speed and distance could be related by Hubble’s constant and Schmidt calculated the possible distance of this mystery object to be around 1.6 billion light years (Schmidt 1963, p126). You can see this quasar with a telescope as it has a magnitude of 12.85 and is in the constellation Virgo. Modern measurements put it at a distance of 2 billion light years. It is the most distant object that amateur astronomers can see, to go any further you’ll need a massive telescope and a huge backyard.

Quasar 3C 273 imaged by Hubble (Credit: Hubble Space Telescope via Wikipedia)

Astronomers believe that quasars are emissions given off from the material around super massive black holes. These black holes started out in the early universe small and grew rapidly attaining the size of about billion times the mass of the Sun. This happened because they formed in areas that had a lot of dense material, which formed large accretion disks around the black hole. Quasars are exceptionally bright (the one in the picture above looks just to the untrained eye just like a star) with observed luminosities of one large population being between 10^41 and 10^49 ergs* (Hopkins et al 2007, p750). Compare this to the Sun’s luminosity which is about 3.8 x 10^33 ergs so it’s easy to see how some of these things would be brighter than an entire galaxy. This material fuelled the massive mass of the blackholes and probably also sparked the growth of galaxies in their vicinity (Bouwens, R 2017, p418). These blackholes soon grow into super massive blackholes and these are thought to reside at the centre of almost every galaxy (White, S 2015, p5).

The material in an accretion disk around the super massive black hole (SMBH) heats up to very high temperatures as it gets closer and closer to the SMBH and the energy released by this process is what gives them their luminosity across many wavelengths, including UV. The size of these accretion disks are quite small measuring only about 4.5 light days (Jimenez-Vicente et al 2014, p6) which is about 20 times the distance from the Sun to Pluto. Studies of the million of quasars that have been observed since they were first reported in 1963 have shown that the population rose rapidly until about 10.8 billion years ago and then started to taper off (Mortlock 2014, p44). It seems that conditions in the early universe favoured the formation of these monsters and then they started to diminish. The result is that there are no quasars very close to the Milky Way as very few have been formed recently. Quasars last around 1,000,000 to 100,000,000 years (Haiman & Hui 2001, p546). This estimation combined with observations of the population of quasars and their spread throughout the observable age of the universe has enabled astronomers to understand a lot about these powerful objects.

The closest quasar to us is about 600 million light years away in the galaxy Mrk 231. In 2015 the Hubble Space Telescope imaged the centre of this galaxy and scientists determined that there may be two black holes orbiting each other in the middle of the donut-shaped accretion disk. They worked this out by looking at the ultraviolet radiation coming off the quasar and found it was not uniform towards the centre to where a single super massive black hole would be and they inferred that there must be two of them orbiting each other. This added another flavour to the whole discussion around quasars as the likelihood of two super massive black holes being in close proximity to each other is suggestive of a galaxy merger (Hille 2017).

Models of how quasars form are based on galaxy mergers and the theory being that in the early universe there were more galaxy mergers and the as the universe continued to expand there were less (Mortlock 2014, p44). This might explain how the SMBHs got so big. For Mrk 231 the two black-holes are predicted to collide in a few hundred thousand years (Hille 2017).

Given there are a lot of quasars and they tend to be in larger numbers in the earlier universe and our galaxy is very old and has merged with a lot of other galaxies then it seems to be possible that the Milky Way once had a quasar blazing out from it’s centre at some point in its early life. What a spectacle that would have been and how incredible it would have been to view it by the galaxy’s inhabitants (if any were able to live). I can imagine it would be the worst kind of light pollution you could get.

* ergs – unit of energy and work equal to 10^-7 jules

Bouwens, R 2017 ‘Quasars Signpost Massive Galaxies’, Nature, vol 545, 25 May 2017.

Jimenez-Vicente, J, Mediavilla, E, Kochanek, CS, Munoz, JA, Motta, V, Falco, E & Mosquera, AM 2014, ‘The Average Size and Temperature Profile of Accretion Disks’, The Astrophysical Journal, 783:47, 1 March 2018, <http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/783/1/47/pdf&gt

Haiman, Z & Hui, L 2001, ‘Constraining the Lifetime of Quasars From Their Spatial Clustering’, The Astrophysical Journal, 547, 20 January 2001, viewed 3 October 2018, <http://iopscience.iop.org/article/10.1086/318330/pdf&gt

Hille, K 2017, Hubble Finds The Nearest Quasar is Powered by a Double Black Hole, NASA, Goddard Space Flight Center, viewed 3 October 2018, <https://www.nasa.gov/feature/goddard/hubble-finds-that-the-nearest-quasar-is-powered-by-a-double-black-hole&gt

Hopkins, PF, Richards, GT & Hernquist, L 2007, ‘An Observational Determination of the Bolometric Quasar Lminsoity Function’, The Astrophysical Journal, 654:731, 10 January 2007, viewed 3 October 2018, <http://iopscience.iop.org/article/10.1086/509629/pdf&gt

Mortlock, D 2014, ‘The Age of Quasars’, Nature, Vol 514, 2 October 2014.

The featured image shows a lensed quasar taken by the Hubble Space Telescope.