DESI Strong Lens Foundry III: Keck Spectroscopy for Strong Lenses Discovered Using Residual Neural Networks

Probleemstelling

Sterke gravitationele lenzen zijn waardevolle instrumenten voor de astrofysica en kosmologie, bijvoorbeeld voor het bestuderen van donkere materie, het meten van de Hubble-constante via tijdsvertragingen, en het analyseren van hoge-sterftes van verre sterrenstelsels. Echter, om deze systemen nauwkeurig te modelleren en fysische parameters af te leiden, zijn zowel de roodverschuiving van de lens ($z_d$) als die van de lensbron ($z_s$) noodzakelijk.

Hoewel de Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) succesvol de roodverschuivingen van de lenzen zelf kan bepalen (vaak via absorptielijnen in het optische spectrum), faalt het bij het meten van de roodverschuivingen van de lensbronnen in ongeveer 30% van de gevallen. Dit komt doordat deze bronnen zeer hoog roodverschoven zijn ($z \gtrsim 1.6$). Bij deze roodverschuivingen verschuiven de belangrijkste emissielijnen (zoals de [O II] dubbellijn bij 3727 Å) naar het infrarood, buiten het waarneembare bereik van DESI. Zonder deze bron-roodverschuivingen kunnen de systemen niet volledig worden gekarakteriseerd.

Methodologie

De auteurs hebben een follow-up programma uitgevoerd om de ontbrekende bron-roodverschuivingen te meten voor een subset van sterke lenskandidaten die eerder werden ontdekt in de DESI Legacy Imaging Surveys met behulp van Residual Neural Networks (ResNet) en bevestigd door de Hubble Space Telescope (HST).

1. Selectie van Doelen: Acht systemen werden geselecteerd op basis van zichtbaarheid vanaf Keck, de typische luchtdruk (airmassa) en de helderheid van de gelenseerde bogen. Deze systemen hadden bronnen met $z_s > 1.6$.
2. Observaties:
   • Instrument: De Near-Infrared Echellette Spectrograph (NIRES) op de 10-meter Keck II telescoop.
   • Spectrale dekking: 0,94 - 2,45 µm (Y, J, H en K-banden), wat essentieel is voor het detecteren van emissielijnen zoals H$\alpha$, [O III] en [O II] bij hoge roodverschuivingen.
   • Observatiestrategie: De slits werden uitgelijnd op de helderste "knooppunten" (sterrenvormingsgebieden) van de gelenseerde bogen. Er werd gebruik gemaakt van een ABBA-ditherpatroon om achtergrondruis te verminderen.
   • Blootstellingstijden: De meeste systemen kregen 1200 tot 3600 seconden blootstelling. Twee systemen kregen slechts 600 seconden bij een hoge luchtdruk ($\approx 1.6$), wat leidde tot niet-detecties.
3. Data-reductie:
   • De software PypeIt werd gebruikt voor de semi-automatische reductie van de spectra.
   • Aanpassingen: Vanwege de lage signaal-ruisverhouding (SNR) en de complexiteit van de lenzen, werd de automatische objectdetectie uitgeschakeld. In plaats daarvan werden de spectra handmatig getraceerd langs de emissielijnen.
   • Tellurische correctie: Deze werd weggelaten omdat de lage SNR leidde tot pathologische gedragingen in de correctie, wat de roodverschuivingsbepaling op basis van emissielijnen niet beïnvloedde.
   • Roodverschuivingsfitting: Een Gaussische fit werd toegepast op twee emissielijnen (bijv. H$\alpha$ en [O III]) om de roodverschuiving te bepalen.

Belangrijkste Resultaten

De studie resulteerde in succesvolle spectroscopische metingen voor zes van de acht beoogde systemen:

• Succesvolle metingen: Voor zes systemen werden de bron-roodverschuivingen ($z_s$) bepaald, variërend van 1,675 tot 3,332.
  • De onzekerheden zijn zeer klein, in de orde van grootte van $10^{-4}$ tot $10^{-5}$.
  • Specifieke opmerkelijke vondsten:
    • DESI J094.5639+50.3059: Heeft de hoogste roodverschuiving in deze steekproef ($z_s = 3.33185$).
    • DESI J154.5307-00.1368: Toonde een interessante kinematische structuur met twee sterrenvormingsknooppunten die een lichte roodverschuivingsverschil vertoonden ($1.73885$ vs $1.73735$), wat overeenkomt met een lijn-snelheidsverschil van 164 km/s. Dit suggereert dat het om twee afzonderlijke knooppunten gaat, mogelijk als gevolg van galactische rotatie.
    • DESI J006.3643+10.1853: Bevatte twee verschillende lensbronnen met roodverschuivingen van $z_s = 2.39688$ en $z_s = 1.3143$.
• Niet-detecties: Twee systemen (DESI J023.0157-16.0040 en DESI J024.1631+00.1384) hadden geen detectie met NIRES vanwege de korte blootstellingstijd en hoge luchtdruk. De bron van het eerste systeem werd later succesvol gemeten door DESI ($z_s = 1.5818$), aangezien de emissielijnen net binnen het optische bereik vielen.
• Kwaliteit: Voor systemen met een volledige ABBA-dither (minimaal 1200s) werd een 100% succesratio behaald voor het bepalen van de roodverschuiving.

Bijdragen en Betekenis

Deze paper (Paper III in de serie) levert een cruciale bijdrage aan het veld van sterke lensing:

1. Compleet Dataset: Het biedt de volledige set van lens- en bron-roodverschuivingen voor zes systemen, wat een essentiële resource is voor het verfijnen van automatische lenszoekalgoritmen en voor het uitvoeren van nauwkeurige lensmodellen (Paper V).
2. Validatie van AI: Het bevestigt de kwaliteit van de lenskandidaten die zijn gevonden met ResNet in de DESI Legacy Surveys, zelfs voor systemen met complexe configuraties en hoge roodverschuivingen.
3. Technische Demonstratie: Het demonstreert dat infraroodspectroscopie (NIRES) een effectieve methode is om de roodverschuivingen van hoge-$z$ lensbronnen te bepalen die onbereikbaar zijn voor optische spectrografen zoals DESI.
4. Toekomstige Toepassingen: De verkregen spectra bevatten voldoende signaal-ruisverhouding voor verdere analyses, zoals het bepalen van sterformatie-snelheden (via equivalente breedtes), metaalrijkdom en het zoeken naar gelenseerde supernova's. Dit opent de deur voor gedetailleerde studies van galactische evolutie en reionisatie in het vroege heelal.

Kortom, dit werk overbrugt een belangrijke kloof in de observatie van sterke lenzen en stelt astronomen in staat om de fysische eigenschappen van de verste en meest vervormde objecten in het heelal te bestuderen.