宇宙の真っ只中でのデュアルクエーサーの発見

私たちは、宇宙の「宇宙の正午」と呼ばれる時期に約18.89億光年の距離にある候補の二重クエーサー（QSO）を見つけた。この時期、多くのブラックホールや星が形成されていた。ハッブル宇宙望遠鏡で撮影された画像で、近くにある二つの光点が確認された。この距離は約0.26アークセックで、だいたい2.2キロパーセクの間隔だ。この赤いクエーサーは、赤いQSOが合併中の銀河に存在するかを調べるために撮影された。私たちはこのシステムの詳細なスペクトルを集めたところ、確かに二つの別々のQSO部分があることが分かった。

光学観測に加えて、1.4 GHzの周波数で非常に長い基線アレイ（VLBA）を使って高解像度のラジオ観測を行った。これにより、QSOからの光と一致する二つのソースの存在が確認された。二つのソースはブラックホールの質量、明るさ、ラジオ放出が似ている。ただし、色や光の吸収量は異なる。赤いQSOはエディントン比が高く、これはブラックホールが成長する速さを示す。

私たちは、見るものが重力レンズ効果によるものかどうかを考えた。つまり、一つの物体の重力が別の物体からの光を歪める現象だ。これが起こるためには非常にあり得ない条件を満たす必要があることが分かった。本当に二重QSOとして確認できれば、見える塵を銀河と超巨大ブラックホールの合併に結びつけることができるかもしれない。

#重力波の重要性

未来を見据えて、LISAという新しい重力波実験が合併する超巨大ブラックホールからの信号を検出できるようになる。大型の銀河の中心には超巨大ブラックホールが存在するため、これらがどのように合併するかを理解することは、銀河の進化を完全に把握するために重要だ。銀河の合併は、銀河とその中心のブラックホール間で観測される関係を説明するために用いられ、彼らが時間と共に共進化してきたことを示唆している。

ガスが豊富な合併中の銀河は、ガスと塵が中心に押し寄せてブラックホールに栄養を与えるので、強力なクエーサーを引き起こすことがある。このプロセスのある時点で、両方のブラックホールは活発に成長しており、ペアの活動的銀河核（AGN）として観測されることができる。

これらのブラックホールペアがどのように振る舞うかについての理論は進展しているが、確認された二重AGNの数が少ないため、観測的証拠はまだ不足している。現在のシミュレーションは、大規模な合併が二重AGNを最も生み出す可能性が高いことを示唆しており、これらは研究する価値のあるシステムとされている。

塵を含んだ赤いQSOは、この合併シナリオによって引き起こされる短命の状態にあると考えられている。このような合併の間、ブラックホールは密で塵の多い環境で成長し、その後、流出によって塵が取り除かれ、明るく障害のないQSOが現れる短いフェーズが続く。この過渡期には、ほどよく遮蔽された赤いQSOが二重AGNを見つける理想的な候補となる。

私たちは、ラジオと近赤外線の観測を通じて赤いクエーサーのサンプルを特定し、最近では中赤外線や近赤外線の観測によっても確認している。これらの赤いQSOは幅広い距離と塵吸収レベルをカバーし、通常は高い降着率を持ち、スペクトルにはしばしば流出やフィードバックの兆候が見られる。

重要なのは、ハッブル宇宙望遠鏡で撮影された画像が、多くの赤いクエーサーが合併中の銀河に存在することを示しており、それによって二重AGNや二重QSOを持つ可能性が高まることだ。

#W2M J1220の発見

この議論では、ハッブルの画像で見つけた赤いQSOのサンプルから見つかった候補の二重QSOに注目する。このQSOの距離1.889億光年は、AGN活動と星形成のピーク時期を示している。

W2M J1220からの光を見たとき、私たちは私たちの銀河からの干渉を修正することに注意した。これらのQSOの全体の明るさを計算する際には、宇宙がどのように拡大しているかを考慮した特定の宇宙論モデルを使用した。

ハッブル宇宙望遠鏡のプログラムでは、11の赤いQSOのホスト銀河に焦点を当て、W2M J1220という一つのソースが異なるフィルタで撮影された画像の中に二つの近接した光点を示したことが明らかになった。このソースは他の調査では一つのオブジェクトとして特定されたが、私たちの観測からは二つの異なる光源で構成されていることが分かった。

私たちは、画像を分析して両方の光源の明るさを測定するためにモデリング手法を使用した。結果は、両方のソースがポイント光源と一致することを示したが、さらなるモデリングでは、余分な光により追加の特徴が必要であることが明らかになった。

詳細なモデリングの後、W2M J1220は0.26アーク秒の間隔で分離された二つの光源から成ることを確認した。また、両方のソースからスペクトルを取得し、それらの特性を研究した。これには光の分析や環境への影響の理解が含まれた。

#STISによるフォローアップ観測

私たちは、スペーステレスコープイメージングスペクトログラフ（STIS）でQSOの追加観測を行い、幅広い波長に焦点を当てた。両方の光源をキャプチャするために使用したスリットは、重なりを最小限に抑えるよう最適化され、各光源から明確なスペクトルを取得することができた。

このプロセスでは、ノイズを除去し、さまざまな効果を補正して、各スペクトルの明確なビューを得ることに取り組んだ。慎重な分析の後、私たちは両方のソースからの光を分離し、個別のスペクトルを生成することができた。これらのスペクトルは、二つの別々のQSOの存在を確認するための明確な特徴を示した。

スペクトルからは、各コンポーネントが異なる量の塵に影響を受けており、異なる明るさや色を持つことが分かった。データを再分析することで、彼らの距離と内在的な明るさの理解を更新することができた。

#更なる確認のためのVLBAイメージング

W2M J1220はラジオ調査でも検出され、ラジオ波を放出していることが示された。私たちはVLBAを使用してさらに観測を行い、光学QSOコンポーネントの位置と一致する二つの異なるラジオソースの存在を確認することを目指した。

データの徹底的な処理の後、確かに二つの異なるラジオソースが確認され、光学的な位置と一致した。各ソースは明るさと寸法が似ており、光学コンポーネントとの関係を確認することができた。

これらすべての観測により、私たちは各QSOコンポーネントの特徴を詳しく分析することができた。ブラックホールの質量と明るさは類似していることが分かったが、二つのコンポーネントは塵の減衰や成長率の面で異なる特性を持っていた。

#重力レンズ効果の役割の検討

私たちは、W2M J1220の観測された特徴が重力レンズ効果によるものかもしれない可能性を考慮した。この可能性を分析するために、二つのQSOコンポーネントのスペクトルの違いを調べた。

重力レンズ効果は、私たちが見る光の特定の側面を説明するのに役立つことがあるが、私たちの発見は、コンポーネント間の明るさの違いはレンズ効果の結果だけではなく、異なる量の塵による可能性が高いことを示唆している。

ただし、二つの光源が非常に近接しているため、高密度の物体が一つのQSOからの光を曲げて他のものより明るく見えることができるかどうかをさらに探求した。

私たちはレンズ効果を決定的に排除することができなかったが、証拠は二つのQSOが確かに別の存在であるという結論に傾いていた。スペクトルの中に、重力レンズが存在するならば示されるべき特定の期待される特徴の欠如も、レンズ効果に対するケースをさらに強化していた。

#二重QSOの統計的文脈

私たちのW2M J1220の発見により、特に他のタイプと比較して、そのような二重QSOがどれほど一般的であるかについて疑問が生じた。以前の研究では、QSOペアの頻度が調べられており、私たちは利用可能な限られたデータに基づいて赤いQSOの発生率を推定しようとした。

詳細に観測された赤いQSOが数えるほどしかないことを考えると、W2M J1220の発見は、二重活動が赤いQSOにおいて以前よりも頻繁である可能性があることを示唆している。

この発見は、赤いQSOが主に合併中の銀河に見られることを強化するものでもある。赤いQSOを特定的にターゲットにした観測を拡大することで、さらに多くの二重システムを発見できるかもしれない。

#結論

要約すると、私たちは、非常に近接した二つのQSOを発見したことを報告し、これは合併中の超巨大ブラックホールについて知っていることと一致している。慎重なイメージングとスペクトロスコピック分析を通じて、二つの異なる光源の確認と、私たちが集めた観測証拠は、W2M J1220が赤いQSOが特異な集団としてこれらのシステムを見つけるための一部である可能性があることを示唆している。

赤いQSOの研究を進めることで、これらのエネルギー現象を取り巻く環境や、宇宙の中での銀河の進化をよりよく理解できるかもしれない。この発見は新たな探求の道を開き、ブラックホールと銀河の進化を形作る上で合併中の銀河の重要性を強調するものだ。今後の観測や研究を通じて、この基盤の上により深い宇宙の洞察を明らかにすることができる。