Euclid znalazł w rok więcej soczewek grawitacyjnych niż wszystkie wcześniejsze przeglądy

Europejski teleskop kosmiczny Euclid znalazł w ciągu około roku mapowania nieba więcej silnych soczewek grawitacyjnych niż wszystkie wcześniejsze przeglądy razem wzięte. Jego pierwsze duże udostępnienie danych, opublikowane przez Europejską Agencję Kosmiczną, zawiera około piętnastu tysięcy kandydatów na soczewki o wysokim poziomie ufności. W każdym z nich grawitacja galaktyki znajdującej się na pierwszym planie zakrzywia światło bardziej odległej galaktyki, tworząc łuki, pierścienie lub podwójne obrazy.

To ważne, ponieważ soczewka działa jak waga. Wielkość zakrzywienia pokazuje, ile masy znajduje się w galaktyce pierwszego planu, w tym ciemnej materii, której żaden teleskop nie jest w stanie bezpośrednio zobaczyć. Do tej pory astronomowie badali te układy pojedynczo, traktując każde znalezisko jako rzadkość. Dzięki tak obszernej bazie danych mogą je badać jako populację, a to samo udostępnienie dodaje ponad dziewięćset milionów galaktyk do szerszych prac nad mapowaniem ciemnego wszechświata.

Udostępnienie, nazwane DR1-Foundation, obejmuje około 1 900 stopni kwadratowych nieba, obszar około 9 500 razy większy od tarczy Księżyca w pełni. Zawiera ponad miliard skatalogowanych obiektów, ponad 60 milionów kandydatów na kwazary, widma dla ponad 160 milionów źródeł oraz około 1,7 miliona gigabajtów danych. Stanowi to zaledwie 14% obszaru, który Euclid ma zaplanowane do zbadania.

„Silne soczewkowanie zapewnia unikalny wgląd w ciemny Wszechświat, pozwalając nam ‚ważyć’ poszczególne galaktyki, w tym ich niewidzialną ciemną materię, oraz badać, jak Wszechświat się rozszerza” – powiedziała Natalie Lines z University of Portsmouth, członkini konsorcjum Euclid i pierwsza autorka artykułu z katalogiem soczewek.

Jak Euclid wyłowił 15 000 soczewek spośród 900 milionów galaktyk

Soczewki są rzadkie. Tylko mniej więcej jedna galaktyka na kilka tysięcy ustawia się z tłem źródła na tyle precyzyjnie, by działać jako soczewka, a wiele soczewkowanych obrazów jest zbyt małych, by je rozróżnić przez rozmycie atmosfery ziemskiej. Euclid obserwuje z kosmosu za pomocą 1,2-metrowego zwierciadła i dwóch instrumentów: VIS, kamery światła widzialnego, która dostarcza ostre obrazy, oraz NISP, który rejestruje obrazy w bliskiej podczerwieni i rozszczepia światło na widma.

Poszukiwania rozpoczęły się od około 900 milionów źródeł w udostępnieniu i zawęziły do 68 milionów, które przeszły pierwsze cięcie katalogowe. Pięć modeli uczenia maszynowego oceniło te obiekty. Najbardziej obiecujące trafiły do około 7 000 obywatelskich naukowców w projekcie Space Warps, hostowanym na platformie Zooniverse, którzy dokonali ponad 4,5 miliona klasyfikacji 300 000 obiektów. Na koniec 67 ekspertów od soczewkowania przeanalizowało ponad 30 000 układów i nadało im oceny.

Oceny mają znaczenie. Spośród 15 072 kandydatów o wysokim poziomie ufności, 6 073 to ocena A, którą zespół określa jako „pewna soczewka”, a 8 999 to ocena B, oznaczona jako „prawdopodobna soczewka”. Kolejne 9 010 układów z oceną C („możliwe”) opublikowano osobno. Oprogramowanie próbowało następnie odtworzyć każdy układ z oceną A i B za pomocą modelu soczewki, a dla ponad 9 500 soczewek zespół oszacował odległości i właściwości fizyczne galaktyki pierwszego planu.

Większość tych galaktyk pierwszego planu jest masywna i nie tworzy już nowych gwiazd. Znajdują się one przy typowym przesunięciu ku czerwieni wynoszącym 0,68 – mierze tego, jak bardzo rozszerzanie się wszechświata rozciągnęło ich światło – co jest większą odległością niż ta, którą osiągały wcześniejsze próbki soczewek z teleskopów naziemnych.

Od rzadkich znalezisk do spisu tysięcy

Pierwszą silną soczewkę – kwazar, który pojawił się dwukrotnie na niebie – zidentyfikowano prawie 50 lat temu. Od tego czasu największe przeglądy naziemne, które łącznie obejmują większość nieba widocznego z Ziemi, znalazły około 3 000 soczewek tego typu galaktyka-za-galaktyką, według konsorcjum Euclid. 15 072 kandydatów Euclida o wysokim poziomie ufności przewyższa liczbę wszystkich wcześniejszych katalogów razem wziętych.

Każdą z nich znaleziono za pomocą tego samego teleskopu i tej samej metody. Gdy soczewki pochodzą z wielu różnych przeglądów i metod selekcji, trudno je porównywać. Jednolita próbka pozwala badaczom zadawać pytania statystyczne, takie jak to, jak ciemna materia wokół masywnych galaktyk zmienia się z jednej galaktyki na drugą – na co kilkaset niepasujących do siebie układów nie jest w stanie odpowiedzieć.

Skala pokrycia nieba jest również nowa. Obszar w tym udostępnieniu jest około dziesięciokrotnie większy niż to, co Kosmiczny Teleskop Hubble’a zaobserwował w ciągu 35 lat, według konsorcjum. Wcześniejsze udostępnienia Euclida zawierały kilka dni obserwacji na około 60 stopniach kwadratowych. Valeria Pettorino, naukowiec projektu Euclid z ESA, określiła ten skok jako „zmianę skali”.

Katalog zawiera również rzadkie typy, które dawniej były jednorazowymi odkryciami. Wymienia 84 kandydatów na soczewki z podwójną płaszczyzną źródła, w których jedna galaktyka pierwszego planu soczewkuje dwie galaktyki tła w różnych odległościach, ponad 1 000 kandydatów na soczewki utworzone przez galaktyki dyskowe oraz kilkaset soczewkowanych kwazarów i aktywnych jąder galaktyk. Przed Euclidem pierwsze dwie klasy miały zaledwie kilka znanych przykładów.

Udostępnienie to nie tylko soczewki

Inne artykuły opublikowane wraz z danymi pokazują ich zakres. Jeden zespół po raz pierwszy rozdzielił 15 słabych układów gwiazdowych na pojedyncze gwiazdy, z czego pięć to nowe odkrycia. Jeden z nowych, Ursa Minor II, leży około 65 000 lat świetlnych stąd w halo Drogi Mlecznej i zawiera masę gwiazdową równą zaledwie około 40 mas Słońca, co czyni go jednym z najmniej jasnych znanych układów gwiazdowych.

Drugie badanie zmierzyło kształty ponad 40 milionów galaktyk gwiazdotwórczych – próbkę 440 do 52 800 razy większą niż porównywalne badania z Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba. Wśród galaktyk o mniejszej masie potwierdziło, że wydłużone, cygarowate galaktyki stają się rzadsze wraz z wiekiem wszechświata, podczas gdy spłaszczone dyski dominują.

Czego DR1-Foundation nie rozstrzyga

Głównym celem Euclida jest pomiar ciemnej energii – niewyjaśnionej przyczyny przyspieszającego rozszerzania się wszechświata – oraz mapowanie ciemnej materii w kosmicznej historii. To udostępnienie jeszcze tego nie robi. Pomiary potrzebne do kosmologii, w tym mapy słabego soczewkowania i grupowania galaktyk, są wciąż w produkcji i pojawią się wraz z pełnym pierwszym udostępnieniem danych.

Same soczewki są wciąż kandydatami. Tylko układy z oceną A są uznawane za pewne, a zespół odkrywców pisze, że ocena ekspercka pozostaje subiektywna, dlatego skorygowano błędy poszczególnych inspektorów. Poszukiwania pominęły również część rzeczywistych soczewek. Zespół szacuje, że znalazł około 73% pewnych układów na tym obszarze, a reszta jest prawdopodobnie słabsza lub bardziej niejednoznaczna. Potwierdzenie poszczególnych układów będzie wymagało obserwacji uzupełniających, w tym widm.

Artykuły naukowe są preprintami. Osiem artykułów naukowych i 18 technicznych opublikowanych wraz z danymi jest przeznaczonych do specjalnego wydania czasopisma Astronomy & Astrophysics i nie przeszły jeszcze recenzji.

Pokrycie nieba jest również częściowe. Przy 14% planowanego przeglądu próbka może nie reprezentować całego nieba, a naukowcy z konsorcjum znaleźli kilka regionów, których jakość danych różni się od reszty podczas sprawdzania procesu przetwarzania.

„To tylko 14% tego, co Euclid ostatecznie zamierza dostarczyć, ale już teraz widzimy, że obietnice złożone ponad dziesięć lat temu dotyczące zakresu przedsięwzięć naukowych, które Euclid wesprze, zaczynają się spełniać” – powiedział Marc Sauvage, astrofizyk z Francuskiej Komisji Energii Alternatywnych i Energii Atomowej (CEA) oraz lider konsorcjum Euclid.

Pytania o pierwsze udostępnienie danych Euclida

Co zawiera udostępnienie DR1-Foundation Euclida?

Około 13 miesięcy obserwacji obejmujących 1 900 stopni kwadratowych nieba: około 10 000 zdjęć naukowych, katalogi ponad miliarda obiektów, w tym ponad 900 milionów galaktyk, widma dla ponad 160 milionów źródeł, około 15 000 kandydatów na silne soczewki i ponad 60 milionów kandydatów na kwazary. Łącznie to około 1,7 miliona gigabajtów.

Czym jest silna soczewka grawitacyjna?

Powstaje, gdy masywna galaktyka pierwszego planu zakrzywia światło galaktyki znajdującej się daleko za nią, przez co galaktyka tła pojawia się jako łuki, pierścień lub kilka kopii. Wielkość zakrzywienia ujawnia całkowitą masę galaktyki pierwszego planu, w tym jej ciemną materię, a powiększenie pozwala astronomom badać galaktyki tła, które w innym przypadku byłyby zbyt słabe.

Ile galaktyk Euclid do tej pory zmapował?

Ponad 900 milionów galaktyk znajduje się w katalogu tego udostępnienia, które obejmuje około 14% planowanego obszaru przeglądu. ESA spodziewa się, że cała misja skataloguje około 1,5 miliarda galaktyk.

Czy każdy może korzystać z danych Euclida?

Tak. ESA udostępniła dane publicznie i hostuje je na swojej platformie Euclid Data Space, gdzie użytkownicy mogą przeglądać, wizualizować i analizować obrazy, katalogi i widma bez ich pobierania.

Kiedy Euclid zmierzy ciemną energię?

Nie przy tym udostępnieniu. ESA i konsorcjum Euclid planują pierwsze wyniki kosmologiczne, oparte na słabym soczewkowaniu i grupowaniu galaktyk, na pełne pierwsze udostępnienie danych w połowie 2027 roku.

Wyniki kosmologiczne spodziewane w połowie 2027 roku

Euclid wystartował w lipcu 2023 roku i rozpoczął rutynowe prace przeglądowe 14 lutego 2024 roku. Obserwacje w tym udostępnieniu zostały zebrane między wiosną 2024 a wiosną 2025 roku, a ESA opublikowała je 12 listopada 2026 roku. Pełne DR1, z pierwszymi wynikami kosmologicznymi, spodziewane jest w połowie 2027 roku, a DR2, z około trzykrotnie większym obszarem nieba, planowane jest na 2029 rok.

Pierwszą silną soczewkę, Kwazar Bliźniaczy, zidentyfikowano w 1979 roku. Do końca swojego sześcioletniego przeglądu Euclid ma znaleźć ponad 100 000 kandydatów na soczewki o wysokim poziomie ufności, z których każda będzie naturalną wagą do ważenia ciemnej materii galaktyki.

Źródło: Euclid Collaboration: Lines et al., „Euclid Data Release 1 (DR1). Euclid Lens Identification Pipeline and Scientific Exploration (ECLIPSE) A: Strong lens catalogue overview,” submitted to Astronomy & Astrophysics, 2026. arXiv:2611.15883. DOI: 10.48550/arXiv.2611.15883

Tagi: astronomia, esa, ciemna energia, ciemna materia, euclid, galaktyki