J1721+8842: 初めて観測されたアインシュタインジグザグレンズ

Grunnleggende konsepter

J1721+8842は、これまで二重クエーサーと考えられていた天体が、実際には単一のクエーサーが2つの銀河の重力レンズ効果によって6重に像を結んだ、非常に珍しい「アインシュタインジグザグレンズ」であることを示唆する観測結果が得られました。

Sammendrag

J1721+8842は、当初、Lemon et al. (2018) によって、赤方偏移zs = 2.38に位置する4重像クエーサーとして発見されました。しかし、その後の観測で2つの追加画像（EとF）が発見されたことから、Lemon et al. (2022) やMangat et al. (2021) は、これをレンズ状二重活動銀河核（二重AGN）であると解釈しました。

本論文では、J1721+8842が実際には単一のクエーサーであり、その6つの画像はすべて、赤方偏移z1 = 0.184にある既知のレンズ銀河と、赤方偏移z2 = 1.885にある別のレンズ銀河の複合的な重力レンズ効果によって形成されたものであるという証拠を提示しています。

この結論を裏付ける証拠は以下の通りです。

単一光源を示唆する証拠

1. 同一の光度曲線: 北欧光学望遠鏡での2年間のモニタリングにより得られた6つのレンズ状クエーサー画像すべてにおいて、同一の光度曲線が得られました。これは、2つの独立したクエーサーが存在する場合には起こり得ないことです。
2. 赤方偏移の測定: ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の近赤外線分 spectrograph （NIRSpec）を用いた観測により、これまでクエーサーと同じ赤方偏移にあると考えられていた赤いレンズ状の弧の赤方偏移がz2 = 1.885であることが明らかになりました。これは、この弧が背景のクエーサーとは別の銀河であり、z1 = 0.184のレンズ銀河によってレンズ化され、それ自体がクエーサーの光に対してレンズとして作用していることを示しています。
3. レンズモデル: 2つのレンズ銀河による重力レンズ効果を考慮したレンズモデルを作成したところ、HSTで観測された6つのレンズ状画像の位置を正確に再現することができました。

アインシュタインジグザグレンズ

J1721+8842は、2つのレンズ銀河によってクエーサーの光がジグザグに曲げられる「アインシュタインジグザグレンズ」と呼ばれる、非常に珍しいレンズ構成を形成しています。これは、2つのレンズ銀河の質量が比較的近く、かつ、遠くのレンズ銀河が手前のレンズ銀河によってレンズ化されている場合にのみ形成されると考えられています。

研究の意義

J1721+8842は、時間遅延宇宙論と二重ソースプレーンレンズ効果という、宇宙論パラメータを測定するための2つの主要な重力レンズ効果のプローブを組み合わせることができる、他に類を見ないシステムです。このシステムをさらに研究することで、ハッブル定数 (H0) やダークエネルギーの状態方程式パラメータ (w) などの宇宙論パラメータのより正確な測定が可能になると期待されています。

Statistikk

クエーサーの赤方偏移: zs = 2.38
手前のレンズ銀河の赤方偏移: z1 = 0.184
奥のレンズ銀河の赤方偏移: z2 = 1.885
手前のレンズ銀河のEinstein半径: θE,1 = 1.744±0.013"
奥のレンズ銀河のEinstein半径: θE,2 = 0.359 ± 0.014"
手前のレンズ銀河の質量: M1 = (2.74 ± 0.04) · 10^11 M⊙
奥のレンズ銀河の質量: M2 = (2.31±0.19)·10^11 M⊙

Sitater

"This is the first known example of an Einstein zig-zag lens."
"This exceptional system provides a unique opportunity to combine the two major strong lensing probes mentioned above."
"By combining these two strong lensing probes on the same system, it will be possible to probe H0, w, and the mass profile of the higher redshift deflector, which is of interest for the population of massive galaxies at z ∼2."

Viktige innsikter hentet fra

J1721+8842: The first Einstein zig-zag lens

by F. Dux, M. M... klokken arxiv.org 11-08-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.04177.pdf

Dypere Spørsmål

アインシュタインジグザグレンズの発見は、初期宇宙における銀河の形成と進化に関する私たちの理解にどのような影響を与えるでしょうか？

アインシュタインジグザグレンズ、J1721+8842 の発見は、初期宇宙における銀河の形成と進化の理解に、いくつかの重要な影響を与えます。

高赤方偏移銀河の質量分布の理解: J1721+8842 のレンズ銀河の一方は、分光学的赤方偏移の測定で確認されている中では最も遠い、赤方偏移 z=1.885 に位置しています。これは初期宇宙に存在する銀河の質量分布やダークマターハローの進化を研究する貴重な機会を提供します。
銀河進化モデルの検証: この発見は、初期宇宙における銀河の形成と進化に関する現在のモデルを検証する上で重要なテストケースとなります。レンズ効果によって歪められた銀河の形状や明るさを詳細に分析することで、銀河の構造、星形成史、およびダークマターとの相互作用に関する情報を得ることができ、モデルの精度向上に役立ちます。
多重レンズ系の形成頻度の制約: アインシュタインジグザグレンズのような複雑なレンズ系は非常に稀であると考えられていましたが、今回の発見は、必ずしもそうではない可能性を示唆しています。今後、同様のレンズ系がさらに発見されれば、初期宇宙における銀河の分布やダークマターの性質に関する知見が深まり、宇宙論モデルの精密化に貢献するでしょう。

2つのレンズ銀河の質量や距離がわずかに異なるだけで、観測されるレンズ像のパターンは大きく変わる可能性があります。J1721+8842のようなジグザグレンズは、実際にはもっと一般的な現象であるにもかかわらず、観測が難しいだけという可能性はないでしょうか？

ご指摘の通り、レンズ銀河の質量や距離、相対的な位置関係がわずかに異なるだけで、観測されるレンズ像のパターンは大きく変化します。そのため、J1721+8842 のようなジグザグレンズは、実際にはもっと一般的な現象であるにもかかわらず、観測が難しいだけという可能性は十分に考えられます。

観測バイアス: これまで発見された重力レンズ系の大部分は、比較的単純な形状を持つ「アインシュタインリング」や「多重像クエーサー」です。これは、複雑な形状を持つレンズ系は発見が難しく、観測バイアスがかかっている可能性を示唆しています。
今後の広視野サーベイによる発見: 近年、LSST や Euclid などの広視野サーベイが開始されようとしています。これらのサーベイによって、より多くの重力レンズ系が発見されることが期待されており、その中には J1721+8842 のような複雑な形状を持つレンズ系も含まれている可能性があります。
詳細なレンズモデリング: 複雑な形状を持つレンズ系を発見するためには、高解像度観測と詳細なレンズモデリングを組み合わせることが重要です。J1721+8842 の発見は、このような研究手法の有効性を示しており、今後のレンズ系探索を促進するでしょう。

重力レンズ効果を利用することで、遠い宇宙を観測できるだけでなく、ダークマターやダークエネルギーといった、宇宙の進化を支配する謎の物質やエネルギーの性質を解明できる可能性があります。J1721+8842のような天体は、これらの謎を解き明かすための、どのような新たな手がかりを与えてくれるでしょうか？

J1721+8842 のような重力レンズ系は、ダークマターやダークエネルギーの謎を解き明かすための、以下のような新たな手がかりを与えてくれます。

宇宙論パラメータの精密測定: J1721+8842 は、二重源平面レンズ (DSPL) と時間遅延レンズの両方の特徴を併せ持つ、非常に珍しい天体です。これは、ハッブル定数 (H0) やダークエネルギーの状態方程式パラメータ (w) といった宇宙論パラメータを、独立した2つの手法で測定できることを意味します。これらの測定結果を組み合わせることで、宇宙論パラメータをより高い精度で決定することが可能になります。
高赤方偏移銀河におけるダークマター分布の調査: 重力レンズ効果は、レンズ銀河の質量分布を調べるための強力なツールです。J1721+8842 のレンズ銀河の一方は、赤方偏移 z=1.885 に位置する、観測史上最も遠いレンズ銀河の一つです。この天体の詳細な質量分布を調べることで、初期宇宙におけるダークマターハローの形成と進化に関する貴重な情報を得ることができます。
ダークエネルギーによる宇宙膨張への影響の検証: 重力レンズ効果による時間遅延は、宇宙膨張の歴史に依存します。J1721+8842 のような時間遅延レンズ系を観測することで、ダークエネルギーが宇宙膨張に与える影響を検証し、ダークエネルギーの性質を解明する手がかりを得ることができます。
J1721+8842 は、宇宙の進化とダークマター、ダークエネルギーの謎に迫るための、またとない研究対象と言えるでしょう。