Les quasars agissant comme de puissantes lentilles gravitationnelles font partie des découvertes les plus rares en astronomie. Sur près de 300 000 quasars répertoriés dans le Sloan Digital Sky Survey, seuls douze candidats ont été identifiés et trois seulement ont été confirmés. Ces systèmes sont extrêmement précieux car ils permettent aux astronomes de mesurer avec précision la masse de la galaxie hôte d'un quasar, ce qui est normalement impossible étant donné que la luminosité écrasante du quasar lui-même noie son environnement.
Aujourd’hui, les chercheurs dirigés par Everett McArthur ont considérablement élargi ce minuscule échantillon en utilisant une approche innovante d’apprentissage automatique et les données de l’instrument spectroscopique de l’énergie noire.
Leur étude, publiée sur le arXiv serveur de prépublication, a examiné plus de 812 000 quasars et identifié sept nouveaux candidats de haute qualité, doublant ainsi l'échantillon connu en une seule recherche.
Le défi réside dans la détection de la signature subtile d'une galaxie d'arrière-plan dont la lumière a été courbée gravitationnellement par la galaxie hôte du quasar au premier plan.
Lorsqu'une galaxie plus éloignée est presque parfaitement alignée derrière un quasar, l'immense gravité de la galaxie hôte du quasar agit comme une lentille, courbant la lumière de la galaxie d'arrière-plan autour d'elle. Cela produit de multiples images déformées de la source d'arrière-plan, bien qu'elles soient généralement trop faibles et trop petites pour être résolues depuis le sol, compte tenu de l'éclat brillant du quasar.
La spectroscopie offre une méthode de détection différente. Si la lumière d'une galaxie d'arrière-plan traverse la même fibre spectrographique que celle du quasar de premier plan, ses raies d'émission apparaissent à une longueur d'onde différente en raison de son redshift plus élevé. Les chercheurs ont formé un réseau neuronal pour repérer ces caractéristiques révélatrices enfouies dans les spectres des quasars.
Étant donné que les véritables lentilles quasar sont extrêmement rares, l’équipe n’a pas pu entraîner son réseau neuronal sur des milliers d’exemples réels. Au lieu de cela, ils ont construit des lentilles simulées réalistes en combinant les spectres DESI réels des quasars avec les spectres des galaxies à raies d'émission à redshift plus élevé.
Ils ont introduit environ 3 000 lentilles synthétiques et 30 000 spectres de quasars ordinaires dans le réseau, lui apprenant à distinguer les signatures subtiles des raies d'émission des galaxies de fond des caractéristiques spectrales complexes des quasars eux-mêmes. Le réseau a atteint une performance de classification avec une aire sous la courbe de 0,99, une précision exceptionnellement élevée.
En appliquant cette approche à la première publication de données de DESI, qui couvre des quasars avec des redshifts compris entre 0,03 et 1,8, ils ont identifié sept candidats de grade A. Chacun montre une forte raie d'émission de doublet d'oxygène à un redshift plus élevé que le quasar de premier plan, et quatre affichent en outre les émissions d'hydrogène bêta et d'oxygène trois de la galaxie d'arrière-plan.
La méthode a même réussi à récupérer le seul système de lentilles quasar connu auparavant et qui tombait dans l'empreinte de DESI.
Pourquoi est-ce important ? Les lentilles quasar fournissent une sonde puissante sur la façon dont les trous noirs supermassifs et leurs galaxies hôtes ont co-évolué au cours de l’histoire de l’univers. Le rayon d'Einstein (la taille angulaire caractéristique des images lentilles) révèle directement la masse de la galaxie hôte.
Avec les méthodes traditionnelles, il est presque impossible de distinguer la lumière du quasar de celle de sa galaxie hôte, mais la lentille gravitationnelle rend cette mesure simple.
