University of Groningen
Gravitational lensing at milliarcsecond angular resolution
Spingola, Cristiana
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2019
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Spingola, C. (2019). Gravitational lensing at milliarcsecond angular resolution. Rijksuniversiteit Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Introductie
In dit proefschrift werd een combinatie van zeer hoge angulaire resolutieobserva-ties en gravitatielensing gebruikt om antwoorden te vinden op enkele open vragen over de vorming van sterrenstelsels op de kleinste schalen.
Sterrenstelsels zijn de bouwstenen van ons universum en bevatten sterren, gas, donkere materie en supergrote zwarte gaten. Volgens het huidige scenario voor de vorming van kosmologische structuren, wordt de bouw van een melkweg aangedreven door een hiërarchisch fusieproces, dat op zijn beurt wordt gedomi-neerd door donkere materie. Dit ΛCDM-model van de vorming van sterrenstelsels is zeer succesvol in het verklaren van de grootschalige structuur van het heelal, maar het presenteert verschillende uitdagingen op galactische en sub-galactische schalen.
Er wordt bijvoorbeeld voorspeld dat een grote populatie lage-massa-satellieten met donkere materie het fusieproces zal overleven. Het aantal substructuren waarvan wordt verwacht dat het rond de Melkweg zal cirkelen, bleek echter ver-schillende ordes van grootte te verschillen in vergelijking met het aantal waar-genomen lage-massa-satellietstelsels in de Lokale Groep. Om hier een verklaring voor te vinden is het noodzakelijk om alle satellieten, die mogelijk door duistere materie worden gedomineerd, binnen en buiten de Lokale Groep te detecteren en te kwantificeren, en te evalueren of hun eigenschappen consistent zijn met de voorspellingen van ΛCDM of niet.
Een andere belangrijke test om te bepalen of de evolutie van sterrenstelsels de voorspellingen van ΛCDM volgt, is door het traceren van de koude moleculaire gasverdeling in en rond sterrenstelsels. Het hiërarchische model voor de vorming van sterrenstelsels voorspelt dat de restanten van samengesmolten sterrenstelsels een centraal stervormingsgebied moeten hebben in het binnenste centrale deel (< 1 kpc) dat is ingebed in een massief moleculair gasreservoir. De eigenschappen van het koude moleculaire gas zijn echter vrijwel volledig te observeren bij hoge roodverschuiving, omdat voor het afbeelden van objecten op deze kleine schaal
Nederlandse samenvatting
gevoelige observaties met hoge hoekresolutie vereist zijn.
Bovendien zijn samensmeltingen van sterrenstelsels ook verantwoordelijk voor de vorming van de supermassieve zwarte gaten (SMBH’s) waarvan men denkt dat ze in het centrum van alle massieve sterrenstelsels verblijven. Een intrige-rend gevolg van deze samensmeltingen is de onvermijdelijke vorming van binaire systemen van SMBH’s. Hoewel de schaarste van binaire SMBH-systemen bij lage roodverschuiving in overeenstemming lijkt te zijn met de theoretische verwach-tingen van het ΛCDM-model, is het een uitdaging om voldoende waarnemingen van paren SMBH’s te verkrijgen bij hoge roodverschuiving die statistisch kunnen worden gebruikt om onderscheid te maken tussen verschillende vormingsproces-sen. Daarom is het niet duidelijk wat het proces is dat leidt tot de vorming van SMBH’s.
Gravitatielenzen en VLBI
Als gevolg van de openstaande vragen hierboven gaan de strengste tests op het ΛCDM-model uit van de eigenschappen van sterrenstelsels op kpc- en sub-kpc-schalen. Daarom is er de behoefte om gedetailleerde informatie te verkrijgen over de verdelingen van donkere-materieverdeling van sterrenstelsels en om hun stellaire en moleculaire gasinhoud in kaart te brengen. Om de verwachte melk-wegevolutie – die door de actieve galactische kernen (AGN’s) wordt gereguleerd – rechtstreeks te kunnen meten, is het noodzakelijk om de uitstromen van AGN’s in verschillende kosmologische tijdperken direct te visualiseren wanneer zowel SMBH’s als stervorming extreem actief zijn. In dit proefschrift behandelen we deze kleinschalige uitdagingen voor het ΛCDM-scenario door zeer hoge hoekreso-lutie - observaties te combineren op optische- en nabij- infrarodegolflengten met het oplossend vermogen van gravitationele lensing.
Volgens de theorie van de algemene relativiteit kunnen lichtstralen worden ge-bogen door de aanwezigheid van een zwaartekrachtsveld. Waar een hoge massa aan materie is, kan er een gravitationele vervorming van ruimte-tijd zijn. Als gevolg hiervan zullen de lichtstralen die in de buurt van een dergelijke massa passeren worden afgebogen, waardoor meerdere afbeeldingen van dezelfde ach-tergrondbron worden geproduceerd (Fig. 7.1). Het gravitatielenseffect stelt ons in staat om de totale (baryonische en donkere) materiedichtheidsverdeling in verre sterrenstelsels te meten, maar geeft ons ook een vergroot zicht op gas, sterren en AGN’s in hoge roodverschuivingsobjecten.
Bij de radiogolflengten is het mogelijk om een hoge hoekresolutie te berei-ken door gebruik te maberei-ken van arrays van antennes die, wanneer ze allemaal samen gecorreleerd zijn, fungeren als één enkele radiotelescoop met een
diame-Figuur 7.1: (Boven) Schematische weergave van de verschillende componenten betrokken bij een sterke zwaartekrachtlensconfiguratie, zoals een achtergrondbron, een lensstelsel, de meerdere afbeeldingen (die in dit geval worden uitgebreid met het creëren van zwaartekrachtbogen) en de waarnemer (op aarde). Met dank aan R. Schulz. (Onderkant) Radiografie met een hoekresolutie van milliarcseconde van het zwaartekrachtlenssysteem MG J0751+2716 (Hoofdstuk 2, Spingola et al. 2018.)
Nederlandse samenvatting
ter die gelijk is aan hun afstand. Het proces van het coherent combineren van deze afzonderlijke antennes heet interferometry. Een eigenschap van deze waar-nemingstechniek is de mogelijkheid om de antennes over continenten te spreiden, vandaar de naam Very Long Baseline Interferometry, om beeldvorming met mil-liarcseconde en sub-milmil-liarcseconden hoekresolutie bij cm-golflengten te bereiken. In dit proefschrift gebruikten we radio-interferometrische waarnemingen met de Very Large Array (VLA), de Very Long Baseline Array (VLBA) en de globale VLBI-array. We hebben de radiowaarnemingen aangevuld met optische en nabij-infrarode (NIR) waarnemingen met de Hubble Space Telescope (HST) en Keck Adaptive Optics.
Samenvatting van de resultaten van het uitgevoerde
onderzoek
In Hoofdstuk 2 werden gevoelige globale VLBI-waarnemingen bij 1.65 GHz van de gravitationeel gelensde radio-luide quasar MG J0751+2716 gepresenteerd. De gebundelde stroom gas - ook wel jet genoemd – van een actieve galactische kern (AGN) bij roodverschuiving z = 3.2 wordt gravitationeel gelensd door een groep sterrenstelsels op de voorgrond. Deze groep staat op een roodverschui-ving z = 0.35. Het vervormde beeld van de verre jet bestaat uit vier specta-culaire uitgebreide zwaartekrachtsbogen (Fig. 7.1). De mas-resolutie globale VLBI waarnemingen van deze zwaartekrachtsbogen verschaften een groot aantal randvoorwaarden aan het model van de centrale lens, die werden gebruikt om te zoeken naar elke afwijking van een globaal egale massadistributie op kleine hoekschalen. Het belangrijkste resultaat van Hoofdstuk 2 bestaat uit het meten van kleine verschuivingen tussen de waargenomen en voorspelde posities van de lensbeelden, met een gemiddelde positionele rms in de orde van grootte van 3 mas, die veel groter is dan de meetfouten. Deze astrometrische offsets sugge-reerden dat er behoefte is aan extra massastructuur in het model. Deze extra massa kan echter niet ondubbelzinnig worden toegeschreven aan een populatie van sub-halo’s met lage massa binnen het centrale lensstelsel, zoals voorspeld door koude donkere materiemodellen voor de vorming van sterrenstelsels, maar kan te wijten zijn aan een meer complexe massadistributie binnen de lensgroep of langs de gezichtslijn.
In Hoofdstuk 3 was een analyse gepresenteerd van beeldvorming met meerdere golflengten en spectroscopische gegevens voor de gravitatieglensde radiobronnen MG J0751+2716 en JVAS B1938+666, die ook aanwijzingen hebben voor ex-treem hoge ver-infrarood (FIR) afgeleide stervormingssnelheden. De multi-band datasets bestonden uit VLA-radiocontinuüm en CO (1–0)
spectraallijnbeeldvor-ming, HST optische en nabij-infrarode (NIR) beeldvorming en Keck Adaptive Optics NIR-beeldvorming. Na correctie voor de vervorming als gevolg van zwaar-tekrachtlensvorming, werden de structuur van de moleculaire gasverdeling, de stellaire lichtemissie en de AGN-jets opgelost op ongeveer 50 tot 300 pc. Beide quasars bleken een compacte centrale stellaire component te hebben en kleine AGN-radiojets die waren ingebed in een uitgebreid moleculair gasreservoir waar-van werd vastgesteld dat deze tussen 5 en 15 kpc groot was. De intrinsieke snel-heidsvelden vertoonden verschillende structuren, die kunnen worden geassocieerd met schijven (langwerpige snelheidsgradiënten) en mogelijk met elkaar in wissel-werking staande objecten (off-axis snelheidscomponenten). Dit morfologische en spectroscopische beeld van MG J0751+2716 en JVAS B1938+666 ondersteunde het scenario waarin AGN’s worden gevormd door gasrijke fusies.
In Hoofdstuk 4 werd de eerste detectie van de eigenbeweging in de com-plexe straalstructuur van een gravitationeel gelensde radio-luide quasar bij hoge roodverschuiving gepresenteerd en gebruikt om de eigenschappen van SMBH’s te onderzoeken. Door het oplossend vermogen van VLBI en gravitatielenzen te combineren, was het mogelijk om deze detectie van de eigenbewegingen te maken bij een roodverschuiving van z = 3.2773, met een precisie van 1 mas yr−1. Uit een lensmodelleringsanalyse van de gegevens was het mogelijk om de morfolo-gie van een verre en vage radio-luide AGN te reconstrueren, die een complexe morfologie vertoonde. Deze eigenschappen hebben geleid tot twee mogelijke sce-nario’s. De eerste interpretatie voor het bronvlak bestond uit een enkele AGN, waarbij de waargenomen juiste beweging te wijten was aan mogelijke schokken die langs de radiostralen bewegen. Deze worden waargenomen in veel jets van AGN’s. Niettemin impliceert de analyse van de fluxdichtheden, gecorrigeerd voor de vervorming door lensing, een exotische en gecompliceerde bronmorfolo-gie om de waargenomen juiste bewegingen te verklaren. Het tweede mogelijke scenario bestond uit twee verschillende radio-luide AGN’s, die in projectie van elkaar zijn gescheiden door ∼175 pc. Beide bevatten een kern-jet morfologie. In dit scenario, dat voornamelijk werd aangedreven door de beweging van de twee vlak-spectrumcomponenten, draaien de twee kern-jet AGN’s om elkaar heen en vormen ze een dubbel AGN (DAGN)-systeem. Toekomstige multi-golflengte beeldvorming en spectroscopische waarnemingen zijn nodig om één van de twee mogelijke interpretaties te bevestigen.
De eerste groothoek VLBI-zoektocht naar gravitationeel gelensde radiobron-nen, met behulp van gegevens van de mJIVE-20-observaties, werd gepresen-teerd in Hoofdstuk 5. Door direct van de mJIVE–20 VLBI-waarnemingen uit te gaan, was het mogelijk om verschillende stappen over te slaan in de selectie van de beste lenskandidaten. Hierdoor werd de zoekactie efficiënter tijdens de
Nederlandse samenvatting
observatiefase. Van de laatste veertien lenskandidaten zijn er bijvoorbeeld twee een herontdekking van de bekende zwaartekrachtslenzen CLASS B1127+385 en CLASS B2319+051, wat meteen een proof-of-concept leverde dat deze selectieme-thode in staat was gravitationeel gelensde radiobronnen te vinden. Vervolgobser-vaties van de twaalf resterende kandidaten op 4.1 en 7.1 GHz werden uitgevoerd met de VLBA om te verifiëren of de spectrale index en de helderheid van het oppervlak van de individuele componenten consistent waren met gravitationele lensvorming. Het selectieproces onthulde slechts één uiteindelijke lenskandidaat en verdere observaties zijn vereist om de ware aard van dit systeem te bevesti-gen. Gezien de twee bevestigde zwaartekrachtslenzen in het mJIVE-20-monster, werd een robuuste lenssnelheid van minstens 1 : (318 ± 225) gevonden voor een statistische steekproef van 635 radiobronnen die werden gedetecteerd op mas-schalen, wat consistent is met die gevonden bij de vorige radio-observaties van zwaartekrachtslenssystemen.
Toekomst
De volgende generatie van radio en optische onderzoeksfaciliteiten, zoals de Square Kilometre Array (SKA), Euclid en de Large Synoptic Survey Telescope (LSST), zal de ontdekking van ∼ 105sterke zwaartekrachtlenzen mogelijk maken met zo-wel compacte als uitgebreide structuur. Deze observaties bieden ook een groot monster voor gedetailleerde studies van individuele objecten met SKA-VLBI, de European Extremely Large Telescope (E-ELT) en de Atacama Large Milli-meter Array (ALMA). Volgens de zoekmethodologie die in Hoofdstuk 5 wordt beschreven, is het mogelijk om in de toekomst radio-opnames te identificeren van compacte radiobronnen met gravitatielenzen, op voorwaarde dat informatie over meerdere frequenties beschikbaar is.
Met zo’n groot aantal radiobronnen met gravitatielenzen, sommigen zelfs met een uitgebreide structuur, zal het mogelijk zijn om de massadistributie van de lensende sterrenstelsels op sub-kpc-schalen statistisch te beperken, zoals aange-toond in Hoofdstuk 2. Bovendien is de beeldvorming op meerdere golflengtes door de SKA, Euclid en de LSST belangrijk voor het onderzoeken van de eigen-schappen van sterk uitvergrote bronnen met lenzen, zoals werd getoond voor twee systemen in Hoofdstuk 3. Tot slot zullen toekomstige onderzoeken met de vol-gende generatie telescopen in staat zijn om zeldzame zwaartekrachtslenssystemen te vinden, zoals MG B2016+112, beschreven in Hoofdstuk 4. De toekomstige generatie telescopen zal een ongekend gedetailleerd beeld geven van een groot aantal zwaartekrachtslenssystemen, die kunnen worden gebruikt om de vorming en evolutie van sterrenstelsels te begrijpen op de allerkleinste schalen.
