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TDCOSMO: XX. WFI2033--4723, the First Quadruply-Imaged Quasar Modeled with JWST Imaging

यह शोधपत्र JWST इमेजिंग से प्राप्त एक चतुर्गुणी-प्रतिबिंबित क्वासर (quadruply-imaged quasar) के लिए पहला लेंस मॉडल प्रस्तुत करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि उन्नत PSF मॉडलिंग तकनीकें पिछले HST-आधारित मॉडलों की तुलना में टाइम-डिले कॉस्मोग्राफी (time-delay cosmography) की सटीकता में महत्वपूर्ण सुधार करती हैं और हबल स्थिरांक (Hubble constant) मापों में अनिश्चितताओं को कम करती हैं।

मूल लेखक: D. M. Williams, T. Treu, S. Birrer, A. J. Shajib, K. C. Wong, T. Morishita, T. Schmidt, M. Stiavelli

प्रकाशित 2026-08-27

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CC BY 4.0

मूल लेखक: D. M. Williams, T. Treu, S. Birrer, A. J. Shajib, K. C. Wong, T. Morishita, T. Schmidt, M. Stiavelli

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

ब्रह्मांड का विस्तार हो रहा है, और दशकों से, खगोलशास्त्री सटीक रूप से मापने की कोशिश कर रहे हैं कि यह कितनी तेजी से हो रहा है। विस्तार की यह दर, जिसे हबल स्थिरांक (Hubble constant) के रूप में जाना जाता है, एक मौलिक संख्या है जो ब्रह्मांड की आयु और आकार को बताती है। हालाँकि, एक जिद्दी समस्या उभर कर आई है: इस गति को मापने के अलग-अलग तरीके अलग-अलग उत्तर देते हैं। एक विधि बहुत प्रारंभिक ब्रह्मांड के प्रकाश को देखती है, जबकि दूसरी पास के तारों और आकाशगंगाओं की दूरियों को मापती है। ये दोनों दृष्टिकोण आपस में सहमत नहीं हैं, और जैसे-जैसे माप अधिक सटीक होते गए, उनके बीच का अंतर बढ़ता गया। इस असहमति को सुलझाना महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ यह हो सकता है कि हमारा वर्तमान भौतिकी का ज्ञान अधूरा है, जिसके लिए ब्रह्मांड विज्ञान के मानक मॉडल के संशोधन की आवश्यकता होगी।

इस विवाद को सुलझाने के लिए, वैज्ञानिकों को विस्तार दर को मापने के लिए एक तीसरे, स्वतंत्र तरीके की आवश्यकता है। इन सबसे आशाजनक उपकरणों में से एक घटना है जिसे गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग (gravitational lensing) कहा जाता है। जब एक विशाल आकाशगंगा पृथ्वी और एक दूर स्थित, चमकीले पिंड जैसे कि क्वासर (quasar) के बीच सीधे स्थित होती है, तो उसका गुरुत्वाकर्षण पृष्ठभूमि की वस्तु से आने वाले प्रकाश को मोड़ देता है। यदि संरेखण (alignment) सटीक है, तो पृष्ठभूमि का एकल क्वासर अग्रभूमि आकाशगंगा के चारों ओर व्यवस्थित चार अलग-अलग छवियों के रूप में दिखाई देता है। क्योंकि प्रत्येक छवि से हम तक पहुँचने के लिए प्रकाश अलग-अलग पथों से यात्रा करता है, इसलिए प्रत्येक छवि से आने वाला प्रकाश थोड़ा अलग समय पर पहुँचता है। इन आगमनों के बीच के विलंब (delay) को मापकर और अग्रभूमि आकाशगंगा के द्रव्यमान का मॉडल बनाकर, खगोलशास्त्री अन्य दो विधियों पर निर्भर किए बिना ब्रह्मांड की विस्तार दर की गणना कर सकते हैं।

चुनौती हमेशा यह रही है कि अग्रभूमि आकाशगंगा के द्रव्यमान का मॉडल बनाने के लिए अविश्वसनीय रूप से स्पष्ट छवियों की आवश्यकता होती है। अग्रभूमि आकाशगंगा केवल एक चिकना धब्बा नहीं है; इसकी एक जटिल संरचना है, और इसका प्रकाश अक्सर पृष्ठभूमि के क्वासर के प्रकाश के साथ मिश्रित होता है। इसे सुलझाने के लिए, खगोलशास्त्रियों को यह जानने की आवश्यकता है कि उनका टेलीस्कोप प्रकाश को ठीक से कैसे धुंधला करता है, जिसे 'पॉइंट स्प्रेड फंक्शन' (point spread function) नामक गुण कहा जाता है। वर्षों तक, हबल स्पेस टेलीस्कोप ने इस कार्य के लिए सर्वोत्तम चित्र प्रदान किए, लेकिन हबल की भी सीमाएँ हैं। जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (JWST) के नेतृत्व में नई पीढ़ी के टेलीस्कोप अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ इन प्रणालियों को देखने का अवसर प्रदान करते हैं, जो संभावित रूप से उन अनिश्चितताओं को दूर कर सकते हैं जिन्होंने प्रगति को रोक रखा था।

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने WFI2033–4723 नामक एक विशिष्ट प्रणाली पर जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप की शक्ति का प्रयोग किया। यह एक चतुर्गुणीकृत (quadruply imaged) क्वासर है, जिसका अर्थ है कि पृष्ठभूमि की वस्तु अग्रभूमि आकाशगंगा के चारों ओर चार अलग-अलग प्रकाश बिंदुओं के रूप में दिखाई देती है। टीम ने इस प्रणाली की विस्तृत छवियां कैप्चर करने के लिए JWST का उपयोग किया और गुरुत्वाकर्षण लेंस का एक नया, अत्यधिक सटीक मॉडल बनाया। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या नए टेलीस्कोप का बेहतर रिज़ॉल्यूशन समय विलंब (time delays) और लेंसिंग आकाशगंगा के द्रव्यमान वितरण के मापन में सुधार कर सकता है, जो ब्रह्मांड की विस्तार दर की गणना के लिए मुख्य घटक हैं।

शोधकर्ताओं ने पाया कि नए टेलीस्कोप के डेटा ने उन्हें उन विवरणों को देखने की अनुमति दी जो पहले अदृश्य थे। पुरानी हबल छवियों में, पृष्ठभूमि के क्वासर की मेजबान आकाशगंगा (host galaxy) एक धुंधले धब्बे की तरह दिखाई देती थी। JWST के साथ, मेजबान आकाशगंगा स्पष्ट रूप से दिखाई देने लगी, जिससे एक वलय जैसी संरचना और उसके भीतर विशिष्ट तारा-निर्माण क्षेत्र भी प्रकट हुए। यह स्पष्टता महत्वपूर्ण थी क्योंकि इसने टीम को अग्रभूमि आकाशगंगा के द्रव्यमान को बहुत अधिक सटीकता के साथ मैप करने की अनुमति दी। पिछले मॉडलों में त्रुटि का एक प्रमुख स्रोत मुख्य लेंस के पास की छोटी, निकटवर्ती आकाशगंगाओं और उपग्रह वस्तुओं (satellite objects) को समझना था जो प्रकाश को प्रभावित करती हैं। पुराने HST मॉडलों में, मुख्य लेंस के पास स्थित एक छोटे उपग्रह आकाशगंगा का द्रव्यमान लगभग अनियंत्रित था, जिसका अर्थ था कि मॉडल यह नहीं बता सकता था कि वह कितनी भारी है। नए JWST डेटा ने हालांकि, टीम को इस उपग्रह के द्रव्यमान को सीधे मापने की अनुमति दी।

इन नए मापों को शामिल करके, टीम ने सटीकता में महत्वपूर्ण सुधार हासिल किया। उन्होंने पाया कि उनके नए मॉडल ने हबल डेटा पर आधारित सर्वोत्तम पिछले मॉडलों की तुलना में प्रमुख समय-विलंब माप में अनिश्चितता को 22 प्रतिशत कम कर दिया। इस प्रकार की प्रणाली के लिए यह स्तर की सटीकता एक रिकॉर्ड है। परिणामों से यह भी पता चला कि पुराने मॉडल उपग्रह आकाशगंगा के बारे में गायब जानकारी की भरपाई करने के लिए मॉडल के अन्य हिस्सों, जैसे कि मुख्य आकाशगंगा के द्रव्यमान वितरण के आकार को समायोजित कर रहे थे। अब उपग्रह को ठीक से शामिल करने के बाद, मुख्य आकाशगंगा का मॉडल बदल गया, जिससे विस्तार दर की गणना थोड़ी भिन्न हो गई। विशेष रूप से, नया डेटा इस विशिष्ट प्रणाली के लिए हबल स्पेस टेलीस्कोप डेटा से प्राप्त मान की तुलना में लगभग 3 प्रतिशत अधिक हबल स्थिरांक का सुझाव देता है।

अध्ययन ने यह भी प्रदर्शित किया कि जेम्स वेब स्पेस टेलीकोप जिस जटिल तरीके से प्रकाश को धुंधला करता है, उसे परिणामों पर भरोसा करने के लिए पर्याप्त सटीकता के साथ मॉडल किया जा सकता है। टीम ने टेलीस्कोप के पॉइंट स्प्रेड फंक्शन को पुनर्गठित करने के लिए नई तकनीकों को विकसित और परीक्षण किया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि छवियों में देखे गए तीखे विवरण वास्तविक हैं न कि उपकरण के आर्टिफैक्ट्स। उन्होंने दिखाया कि ये नई विधियाँ त्रुटियों को पेश किए बिना प्रकाश के जटिल पैटर्न को संभाल सकती हैं। निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप ब्रह्मांड विज्ञान के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, जो उन मापों को परिष्कृत करने में सक्षम है जो पहले उपलब्ध डेटा की गुणवत्ता द्वारा सीमित माने जाते थे।

हालांकि इस शोध पत्र ने तकनीकी सुधारों के मॉडलिंग पर ध्यान केंद्रित किया और हबल स्थिरांक का अंतिम, निर्णायक मान नहीं निकाला, लेकिन यह इसे करने के लिए आवश्यक आधार तैयार करता है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि एक पूर्ण ब्रह्लाकृतिक विश्लेषण, जिसमें लेंस के आसपास के वातावरण का अपडेटेड डेटा शामिल होगा, भविष्य के एक पेपर में प्रस्तुत किया जाएगा। हालांकि, वर्तमान कार्य सिद्ध करता है कि अगली पीढ़ी के लेंस मॉडल प्राप्त करना संभव है। लेंस वाली आकाशगंगाओं के सूक्ष्म विवरणों को हल करके और पास के विक्षोभों (perturbers) के द्रव्यमान को सटीक रूप से मापकर, जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप ब्रह्मांड के विस्तार के अधिक सटीक मापन का द्वार खोल रहा है, जो संभावित रूप से आधुनिक भौतिकी के सबसे गंभीर रहस्यों में से एक को सुलझाने में मदद कर सकता है।

तकनीकी सारांश: TDCOSMO XX. WFI2033–4723, JWST इमेजिंग के साथ मॉडल किया गया पहला चतुर्गुणीकृत (quadruply imaged) क्वासर

समस्या विवरण
टाइम-डिले कॉस्मोग्राफी (Time-delay cosmography) हबल स्थिरांक ( $H_0$ ) का एक अद्वितीय, स्वतंत्र मापन प्रदान करती है, जो प्रारंभिक और देर के ब्रह्मांडीय मापन के बीच "हबल तनाव" (Hubble tension) को सुलझाने के लिए महत्वपूर्ण है। हालाँकि, इन मापों की सटीकता वर्तमान में स्ट्रॉग लेंस मॉडलिंग में व्यवस्थित अनिश्चितताओं, विशेष रूप से मास-शीट डिजनरेसी (MSD) और पॉइंट स्प्रेड फंक्शन (PSF) की त्रुटियों द्वारा सीमित है। जबकि हबल स्पेस टेलीस्कोप (HST) अपने स्थिर PSF के कारण ऐसे मॉडलिंग के लिए मानक रहा है, ज़मीन से आधारित सीइंग-लिमिटेड (seeing-limited) इमेजिंग में आवश्यक सटीकता का अभाव होता है। जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (JWST) बेहतर रिज़ॉल्यूशन और संवेदनशीलता प्रदान करता है, लेकिन इसका जटिल, विस्तृत PSF एक महत्वपूर्ण मॉडलिंग चुनौती पेश करता है। यह शोध पत्र इस बात को संबोधित करता है कि क्या JWST इमेजिंग को एक चतुर्गुणीकृत क्वासर, विशेष रूप से WFI2033–4723 के लिए पर्याप्त सटीकता के साथ मॉडल किया जा सकता है ताकि HST-आधारित बाधाओं (constraints) में सुधार किया जा सके।

कार्यप्रणाली (Methodology)
लेखक JWST डेटा से प्राप्त पहला लेंस मॉडल प्रस्तुत करते हैं, जिसे WFI2033–4723 सिस्टम पर लागू किया गया है। विश्लेषण पिछले HST-आधारित मॉडलों (Ruse et al. 2020) के साथ प्रत्यक्ष तुलना पर केंद्रित है ताकि नए डेटा और मॉडलिंग तकनीकों के प्रभाव को अलग किया जा सके।

डेटा: अध्ययन JWST NIRCam इमेजिंग (F115W बैंड) का उपयोग करता है, जो HST की तुलना में उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन ( $\sim0\farcs0307$ ) प्रदान करता है। बाहरी अभिसरण ( $\kappa_{ext}$ ) के लिए स्पेक्ट्रोस्कोपिक वेलोसिटी डिसपर्सन और वाइड-फील्ड फोटोमेट्री सहित सहायक डेटा को पिछले H0LiCOW XII विश्लेषण से बरकरार रखा गया है ताकि एक निष्पक्ष तुलना सुनिश्चित की जा सके।
PSF पुनर्निर्माण: JWST के जटिल PSF को संभालने के लिए नए PSF मॉडलिंग तकनीकों का विकास इस कार्य का एक महत्वपूर्ण घटक है। लेखक दो विधियों की तुलना करते हैं:
1. PSFr: एक मानक एल्गोरिदम जिसमें सब-पिक्सेल सेंट्रॉइडिंग और स्टैकिंग शामिल है।
2. STARRED: एक नवीन विधि जो वेवलेट रेगुलराइजेशन (starlets) का उपयोग करके PSF को विरल (sparsely) रूप से प्रदर्शित करती है, जो प्रभावी रूप से मॉडल को डीनोइज़ करती है और एस्ट्रोमेट्रिक सटीकता में सुधार करती है।
  लेखक एक पुनरावृत्ति प्रक्रिया (iterative process) लागू करते हैं जहाँ लेंस के फॉरवर्ड मॉडलिंग के दौरान क्वासर पॉइंट सोर्सेज के आधार पर PSF को अपडेट किया जाता है।
मॉडलिंग फ्रेमवर्क: विश्लेषण lenstronomy सॉफ्टवेयर पैकेज का उपयोग करता है। मुख्य डिफलेक्टर को पावर-लॉ एलिप्टिकल मास डिस्ट्रीब्यूशन (PEMD) के साथ मॉडल किया गया है। क्वासर होस्ट गैलेक्सी को जटिल विस्तृत उत्सर्जन को कैप्चर करने के लिए लीनियर शेपलेट फंक्शन्स के साथ संवर्धित सर्सिक (Sérsic) प्रोफाइल का उपयोग करके पुनर्गठित किया गया है। मॉडल में पास के पर्टर्बर्स (सैटेलाइट गैलेक्सी X और गैलेक्सी G2, G3, G7) और एक्सटर्नल शीयर का स्पष्ट उपचार शामिल है।
सिस्टमैटिक टेस्टिंग और वेटिंग: लेखक 24 मॉडल कॉन्फ़िगरेशन का अन्वेषण करते हैं जो PSF जनरेशन विधि, सोर्स कॉम्प्लेक्सिटी (शेपलेट ऑर्डर), मास्क साइज और फ्री फ्लेक्शन टर्म्स के समावेश में भिन्न होते हैं। इन मॉडलों को बेयसियन दृष्टिकोण का उपयोग करके भारित (weighted) और संयोजित किया गया है। भार निम्नलिखित आधार पर दिए गए हैं:
1. इमेजिंग लाइकलीहुड: ओवरफिटिंग को दंडित करने के लिए बेयसियन इंफॉर्मेशन क्राइटेरियन (BIC) के माध्यम via मूल्यांकन किया गया।
2. काइनेमैटिक कंसिस्टेंसी: मुख्य डिफलेक्टर के मॉडल-अनुमानित और प्रेक्षित स्टेलर वेलोसिटी डिसपर्सन के बीच सहमति के आधार पर एक गॉसियन लाइकलीहुड वेटिंग।

प्रमुख योगदान

प्रथम JWST कॉस्मोग्राफिक लेंस मॉडल: यह कार्य उच्च-परिशुद्धता वाली टाइम-डिले कॉस्मोग्राफी के लिए JWST इमेजिंग के उपयोग की व्यवहार्यता स्थापित करता है, यह प्रदर्शित करते हुए कि इसके जटिल PSF को सटीक रूप से मॉडल किया जा सकता है।
उन्नत PSF तकनीकें: वेवलेट रेगुलराइजेशन के साथ STARRED एल्गोरिदम का कार्यान्वयन यह दिखाने में सफल रहा है कि यह पारंपरिक PSF मॉडलिंग तकनीकों की तुलना में एस्ट्रोमेट्रिक अनिश्चितता को काफी कम कर देता है।
सैटेलाइट मास बाधाएं: JWST का बेहतर रिज़ॉल्यूशन इस सिस्टम में एक सैटेलाइट गैलेक्सी (X) के द्रव्यमान पर पहले मजबूत बाधाएं लगाने की अनुमति देता है, जो पहले HST डेटा में अनकन्स्ट्रेंड था।
प्रत्यक्ष तुलना: बाहरी अभिसरण और अन्य गैर-इमेजिंग मापदंडों को स्थिर रखकर, यह पेपर केवल JWST इमेजिंग और नई PSF विधियों के कारण होने वाले लेंस मॉडलिंग परिशुद्धता के सुधार को अलग करता है।

परिणाम

परिशुद्धता में सुधार: JWST-आधारित मॉडल HST के सर्वोत्तम मॉडलों की तुलना में फर्मा पोटेंशियल डिफरेंस ( $\Delta\tau_{BC}$ ) के लिए 22% अधिक परिशुद्धता प्राप्त करते हैं। भिन्नात्मक अनिश्चितता (fractional uncertainty) $\sim3.7\%$ (HST) से घटकर $\sim2.2\%$ (JWST) हो जाती है।
पैरामीटर रिकवरी: रिकवर किया गया फर्मा पोटेंशियल डिफरेंस $1\sigma$ के भीतर HST परिणामों के अनुरूप है, लेकिन केंद्रीय मान लगभग 3.1% अधिक है। यदि अन्य सभी कारकों को स्थिर रखा जाता, तो यह अनुमानित $H_0$ को इस लेंस के लिए 71.6 से बढ़ाकर 73.8 km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ कर देता।
सैटेलाइट बाधाएं: सैटेलाइट गैलेक्सी X, जिसे HST मॉडलों में शून्य के बराबर पाया गया था, उसे $\theta_{E,X} = 0.100^{+0.005}_{-0.005}$ आर्कसेक के आइंस्टीन रेडियस तक सीमित किया गया है, जो सैद्धांतिक मास-टू-लाइट अपेक्षाओं के अनुरूप है।
एक्सटर्नल शीयर: सैटेलाइट मास को ठीक से बाधित करके, मॉडल को अब अनमॉडल मास को एक्सटर्नल शीयर टर्म में "अवशोषित" करने की आवश्यकता नहीं है। परिणामस्वरूप, अनुमानित एक्सटर्नल शीयर ( $\gamma_{ext} = 0.088$ ) पिछले HST-आधारित अनुमानों की तुलना में 21% कम है, जो इसे देखे गए शीयर अनुमानों के करीब लाता है।
एस्ट्रोमेट्री: JWST मॉडल समग्र सापेक्ष एस्ट्रोमेट्रिक अनिश्चितता 0.34 mas (लगभग 1/100 NIRCam पिक्सेल) प्राप्त करते हैं, जो HST बाधाओं की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि उन्नत PSF मॉडलिंग तकनीकों जैसे STARRED के साथ मिलकर, JWST इमेजिंग HST की तुलना में अधिक परिशुद्धता वाले लेंस मॉडल बना सकती है। यह क्षमता अगली पीढ़ी की टाइम-डिले कॉस्मोग्राफी के लिए आवश्यक है, विशेष रूप से उन सिस्टमों के लिए जो HST द्वारा प्रभावी ढंग से हल करने के लिए बहुत धुंधले या जटिल हैं। लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि हालांकि उनके परिणाम पिछले HST मॉडलों के अनुरूप हैं, लेकिन अनिश्चितता में कमी और उप-संरचनाओं (जैसे सैटेलाइट गैलेक्सी) को हल करने की क्षमता सीधे तौर पर व्यवस्थित त्रुटि के प्रमुख स्रोतों को संबोधित करती है। यह कार्य $H_0$ मापों के लिए उपयोग योग्य लेंसों के नमूने को विस्तारित करने की क्षमता को पुष्ट करता है, जो भविष्य के पूर्ण कॉस्मोग्राफिक विश्लेषणों के लिए आधार तैयार करता है जिनमें अपडेटेड एक्सटर्नल कन्वर्जेंस सैंपलिंग शामिल होगी। वे स्पष्ट रूप से कहते हैं कि यह पेपर लेंस मॉडलिंग तुलना पर केंद्रित है और यह $H_0$ का अंतिम निर्धारण नहीं करता है, जिसे बाद के पेपर में प्रस्तुत किया जाएगा।

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