Kosmiczne szkła powiększające: 70 nowych soczewek grawitacyjnych z mapy nieba DESI

Sztuczna inteligencja przeszukała jedną z największych map nieba i wskazała tysiące podejrzanych układów galaktyk. Astronomowie sprawdzili 76 z nich za pomocą Very Large Telescope. Siedemdziesiąt okazało się prawdziwymi soczewkami grawitacyjnymi, czyli naturalnymi szkłami powiększającymi, dzięki którym możemy zajrzeć głębiej we Wszechświat.

Jeden z 70 potwierdzonych układów soczewkowania grawitacyjnego znalezionych w danych DESI Legacy Imaging Surveys. Łuk wokół galaktyki centralnej to zniekształcony obraz znacznie dalszej galaktyki tła. Źródło: DESI Legacy Imaging Surveys/LBNL/DOE & KPNO/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA; przetwarzanie: T.A. Rector (University of Alaska Anchorage/NSF NOIRLab), D. de Martin i M. Zamani (NSF NOIRLab)

Naturalny teleskop na niebie

Soczewkowanie grawitacyjne zachodzi wtedy, gdy między nami a odległym obiektem leży masywna galaktyka lub gromada galaktyk. Jej grawitacja zakrzywia przestrzeń i ugina światło biegnące obok, więc tło widzimy jako łuki, pierścienie albo kilka obrazów tego samego obiektu. Taki układ działa jak teleskop: powiększa galaktyki, które inaczej byłyby zbyt słabe, a przy okazji zdradza, ile masy, także niewidocznej ciemnej materii, mieści się w soczewce. Soczewki pomagają również doprecyzować tempo ekspansji Wszechświata. Mają jedną wadę: są rzadkie i łatwo je przeoczyć.

Od mapy do kandydatów

Materiał do poszukiwań dostarczył przegląd DESI Legacy Imaging Surveys. W sierpniu 2026 roku jego twórcy udostępnili największą dotąd dwuwymiarową mapę nieba: 5,6 biliona pikseli i prawie cztery miliardy obiektów, od gwiazd po czarne dziury i planetoidy. Powstała z danych trzech przeglądów prowadzonych teleskopami w Chile i Arizonie, uzupełnionych obserwacjami satelity WISE.

Nikt nie jest w stanie obejrzeć takiej mapy na oko. Zespół, w którym pracuje m.in. Xiaosheng Huang z Lawrence Berkeley National Laboratory, użył więc głębokiej sieci neuronowej typu rezydualnego, wytrenowanej do rozpoznawania subtelnych śladów soczewkowania. Wcześniejsze poszukiwania dały katalog około 3500 kandydatów. To jednak dopiero obietnica, bo obraz przypominający łuk może mieć zupełnie inną przyczynę, na przykład być zwykłą galaktyką o nietypowym kształcie.

Widma rozstrzygają

Aby potwierdzić soczewkę, trzeba zmierzyć odległości do obu obiektów: soczewki i źródła. Posłużył do tego spektrograf MUSE na Bardzo Dużym Teleskopie (VLT) Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) w Chile. Należy on do spektrografów integralno-polowych: zamiast rejestrować światło z wąskiego fragmentu nieba, zapisuje osobne widmo w każdym punkcie obrazu. Jedna obserwacja obejmuje więc galaktykę-soczewkę, rozciągnięty łuk tła i obiekty, które przypadkiem znalazły się na tej samej linii widzenia.

Obserwacje z lat 2022–2024 objęły 76 kandydatów. Według wersji pracy dostępnej w arXiv w 55 układach zmierzono przesunięcie ku czerwieni zarówno soczewki, jak i źródła. Ta wielkość mówi, o ile rozciągnęło się światło w rozszerzającym się Wszechświecie, a im jest większa, tym obiekt dalszy. W 15 kolejnych układach udało się to tylko dla soczewki, a sześć obiektów soczewkami nie jest.

Wśród potwierdzonych układów jest taki, w którym tło tworzy niemal pełny niebieski pierścień wokół żółtawej galaktyki. Jest też klasyczny krzyż Einsteina: cztery obrazy tej samej galaktyki, których widma wskazują na jednakowe przesunięcie ku czerwieni z ≈ 1,43. Jedno ze źródeł ma z ≈ 3,46, więc jego światło wyruszyło w drogę ponad 11 miliardów lat temu.

Co dalej

Nowe soczewki trafiły do projektu DESI Strong Lens Foundry, jednego z największych zbiorów potwierdzonych soczewek. Część wytypowanych układów obejrzał już Kosmiczny Teleskop Hubble’a, a dalszych pomiarów dostarczają spektroskopia DESI i teleskop Keck. W połączeniu z danymi z Webba, niedawno wyniesionego na orbitę Kosmicznego Teleskopu Nancy Grace Roman i przeglądu LSST Obserwatorium im. Very C. Rubin taka próbka pozwoli badać rozkład ciemnej materii, odległe galaktyki i modele ewolucji Wszechświata.

To dobry przykład podziału pracy: algorytm z blisko czterech miliardów obiektów wybiera około 3500 kandydatów, spośród nich wytypowano kilkudziesięciu najlepszych, a ostateczny sprawdzian pozostaje przy teleskopie. Jak podkreśla Aleksandar Cikota z NSF NOIRLab, główny badacz programu obserwacji uzupełniających, każda potwierdzona soczewka powiększa zasób, z którego skorzysta cała społeczność astronomiczna.

Źródła

GŁÓWNE: