🔭 astrophysics

TDCOSMO. XXIII. Measurement of the Hubble constant from the doubly lensed quasar HE1104-1805

Dit artikel presenteert de eerste TDCOSMO-analyse van een dubbel gelenseerde quasar (HE1104-1805), waarbij een Hubble-constante van 64,2 km/s/Mpc wordt gemeten met een precisie vergelijkbaar met die van de beste viervoudig gelenseerde systemen, wat een belangrijke stap vormt voor het uitbreiden van de steekproef van lenssystemen voor toekomstige metingen van de uitdijing van het heelal.

Oorspronkelijke auteurs: Eric Paic, Frédéric Courbin, Christopher D. Fassnacht, Aymeric Galan, Martin Millon, Dominique Sluse, Devon M. Williams, Simon Birrer, Elizabeth J. Buckley-Geer, Michele Cappellari, Frédéric Dux, Xian

Gepubliceerd 2026-03-24

📖 5 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Eric Paic, Frédéric Courbin, Christopher D. Fassnacht, Aymeric Galan, Martin Millon, Dominique Sluse, Devon M. Williams, Simon Birrer, Elizabeth J. Buckley-Geer, Michele Cappellari, Frédéric Dux, Xiang-Yu Huang, Shawn Knabel, Cameron Lemon, Anowar J. Shajib, Sherry H. Suyu, Tommaso Treu, Kenneth C. Wong, Lise Christensen, Veronica Motta, Alessandro Sonnenfeld

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

De Kosmische Horloge: Hoe een Dubbel Beeld van een Verre Quasar ons Vertelt hoe snel het Universum groeit

Stel je voor dat je een enorme, onzichtbare luidspreker in het heelal hebt staan die een ritme slaat. Dit ritme is het licht van een verre sterrenstelsel, een quasar, dat duizenden miljoenen lichtjaren van ons vandaan zit. Normaal gesproken zouden we dit licht op één moment zien. Maar in dit specifieke geval gebeurt er iets magisch: het licht wordt gebogen door een gigantisch object (een sterrenstelsel) dat precies tussen ons en de quasar staat. Dit fenomeen noemen we zwaartekrachtslenzen.

Het resultaat? We zien niet één, maar twee beelden van dezelfde quasar aan de hemel, alsof er een spiegel in de ruimte staat.

Het Grote Probleem: De Snelheid van het Heelal

Astronomen worstelen al jaren met één grote vraag: Hoe snel breidt het heelal zich uit? Dit getal heet de Hubble-constante ( $H_0$ ).

De ene groep wetenschappers (die naar de babyfase van het heelal kijkt) zegt: "Het is ongeveer 67."
De andere groep (die naar de 'volwassen' sterren kijkt) zegt: "Nee, het is ongeveer 73."

Ze hebben allebei gelijk volgens hun eigen meetlat, maar ze komen niet overeen. Dit noemen we de "Hubble-spanning". Om dit op te lossen, hebben we een nieuwe, onafhankelijke meetlat nodig die niet afhankelijk is van de oude methoden.

De Oplossing: Een Kosmische Stopwatch

In dit artikel beschrijven onderzoekers van het TDCOSMO-team hoe ze een nieuwe meetlat hebben gebruikt: de tijdvertraging.

Stel je voor dat de twee beelden van de quasar twee verschillende wegen nemen om bij jou aan te komen.

Weg A is korter, maar gaat door een heuvelachtig landschap (meer zwaartekracht).
Weg B is langer, maar gaat over een vlakke weg.

Omdat licht een eindige snelheid heeft, komt het licht van de ene weg iets later aan dan de andere. Dit verschil in aankomsttijd is de tijdvertraging. In dit geval bedroeg het verschil ongeveer 176 dagen.

Als je precies weet:

Hoe lang het licht erover doet (de tijdvertraging).
Hoe zwaar de "heuvel" (het lens-stelsel) is.
Hoe de weg eruitziet (de geometrie van het heelal).

Dan kun je berekenen hoe groot de afstand tot die quasar is. En als je de afstand en de snelheid van het licht combineert, kun je de uitdijingssnelheid van het heelal berekenen.

De Vier Delen van de Puzzel

Om deze berekening te maken, moesten de onderzoekers vier moeilijke puzzelstukjes samenvoegen:

De Stopwatch (De Tijdvertraging):
Ze keken 17 jaar lang naar de quasar met verschillende telescopen (SMARTS, Euler, WFI). Het is alsof ze 17 jaar lang een film hebben opgenomen om te zien wanneer de helderheid van de twee beelden piekte. Ze ontdekten dat beeld B ongeveer 176 dagen later piekte dan beeld A.
De Weegschaal (De Massa van het Lens-stelsel):
Om te weten hoe zwaar het lens-stelsel is, keken ze naar de sterren erin. Met een krachtige camera (MUSE) maten ze hoe snel de sterren rondom het centrum draaiden. Net zoals je de snelheid van auto's op een snelweg kunt gebruiken om te schatten hoe zwaar de weg is, gebruiken ze de snelheid van de sterren om de massa te bepalen. Ze vonden dat de sterren snel draaiden, wat betekent dat het stelsel zwaar is.
De Kaart (De Vorm van het Licht):
Ze gebruikten de Hubble-ruimtetelescoop om heel scherp foto's te maken. Hierdoor zagen ze precies hoe het licht van de quasar vervormd was. Dit hielp hen te begrijpen hoe de massa in het lens-stelsel verdeeld was.
De Omgeving (De Stoorzenders):
Het heelal is niet leeg. Er zijn andere sterrenstelsels in de buurt die ook een beetje aan het licht trekken. De onderzoekers maakten een lijst van alle nabije sterrenstelsels en rekenden uit hoeveel extra "trekkracht" deze toevoegden. Dit is als het meten van de windkracht als je de snelheid van een boot wilt berekenen.

Het Resultaat: Een Nieuw Antwoord

Na alle berekeningen en het samenvoegen van deze vier stukjes, kwamen ze tot een nieuw antwoord voor de uitdijingssnelheid van het heelal:
64,2 km/s per megaparsec.

Dit getal ligt dichter bij de "oude" metingen (rond de 67) dan bij de "lokale" metingen (rond de 73), maar het is nog niet definitief. De precisie is ongeveer 8,5%, wat goed is voor één enkel geval, maar niet perfect.

Waarom is dit belangrijk?

Vroeger concentreerden astronomen zich vooral op systemen waar ze vier beelden zagen (zoals een diamant). Die zijn zeldzaam en moeilijk te vinden. Dit onderzoek is een doorbraak omdat het laat zien dat we ook twee beelden kunnen gebruiken.

Analogie: Stel je voor dat je vroeger alleen dure, zeldzame diamanten kon gebruiken om de waarde van goud te bepalen. Nu hebben we ontdekt dat je ook met veel goedkopere, maar overvloedigere zilveren munten (de dubbele beelden) dezelfde meting kunt doen.

Dit betekent dat we in de toekomst veel meer van deze systemen kunnen vinden. Als we genoeg van deze "dubbele beelden" samenvoegen, kunnen we de Hubble-spanning misschien eindelijk oplossen en weten we met 100% zekerheid hoe snel ons heelal groeit.

Kortom: Dit artikel is een stap in de juiste richting. Het bewijst dat we de "dubbele beelden" van verre quasar's kunnen gebruiken als een nauwkeurige kosmische stopwatch, en dat we zo dichter bij het antwoord komen op de vraag: Hoe snel groeit ons universum?

Probleemstelling

De meting van de Hubble-constante ( $H_0$ ), die de huidige uitdijingssnelheid van het universum beschrijft, staat centraal in de moderne kosmologie. Er bestaat momenteel een significante spanning (de "Hubble-tension") tussen metingen afgeleid van de kosmische microgolfachtergrondstraling (CMB, $\approx 67.4$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ) en lokale metingen via de afstandsladder ( $\approx 73.2$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ). Om deze discrepantie op te lossen, zijn onafhankelijke methoden nodig die niet afhankelijk zijn van de lokale afstandsladder of het CMB-model.

De TDCOSMO-samenwerking gebruikt "time-delay cosmography" (TDC) met sterk gelenste quasar-systemen om $H_0$ onafhankelijk te meten. Tot nu toe waren de meest precieze metingen gebaseerd op vierfach gelenste quasar-systemen (quads). Hoewel deze systemen meer beperkingen bieden voor massamodeling, zijn ze zeldzaam. Dubbel gelenste quasar-systemen (doubles) zijn daarentegen veel talrijker (ongeveer 3/4 van de bekende systemen) en kunnen de steekproefgrootte met een factor 5 vergroten, wat essentieel is om de precisie van $H_0$ naar 1% te brengen. Echter, dubbele systemen zijn moeilijker te modelleren vanwege minder onafhankelijke tijdsvertragingen en complexere massaprofielen. Dit artikel presenteert de eerste TDCOSMO-analyse van een dubbel gelensd quasar, HE 1104−1805, om te demonstreren dat deze systemen een betrouwbare bron voor $H_0$ -metingen kunnen zijn.

Methodologie

De auteurs hebben een "blind" analyseproces gevolgd om experimentele bias te voorkomen. De meting van $H_0$ werd pas onthuld op 8 juli 2025. De analyse vereist vier essentiële ingrediënten:

Tijdsvertraging ( $\Delta t_{AB}$ ):
- Gebruikmakend van 17 jaar fotometrische monitoringdata van de SMARTS-, Euler- en WFI-telescopen.
- Toepassing van de PyCS-spline-fittingmethode (vrije-knopen splines) om de intrinsieke variabiliteit van de quasar te scheiden van microlensing-effecten.
- De dataset werd samengevoegd tot één lichtkromme om de statistische onzekerheid te minimaliseren.
Ruimtelijk opgeloste kinematica:
- Gebruik van Integral Field Unit (IFU) spectroscopie met het MUSE-instrument op de VLT (Very Large Telescope).
- Extractie van sterrensnelheidsdispersie ( $\sigma_{LOS}$ ) in drie radiale ringen rond de lensgalaxie.
- Toepassing van de Jeans Anisotropic Modelling (JAM) methode om de massa te koppelen aan de kinematica, waarbij rekening werd gehouden met de orbitale anisotropie ( $\beta_{ani}$ ) en de neiging van de lensgalaxie (een "slow rotator").
Lensmodelling (Massaprofiel):
- Gebruik van HST (Hubble Space Telescope) F160W-beelden voor het modelleren van het licht- en massaprofiel van de lens.
- Twee families van massaprofielen werden getest: een kracht-wet model (Power-law Elliptical Mass Distribution, PEMD) en een composiet model (baryonische materie + donkere materie halo, NFW).
- Inclusie van negen expliciete verstoringen (perturbers) en zes groepen van sterrenstelsels langs de zichtlijn, gemodelleerd als SIS (Singular Isothermal Spheres) of NFW-profielen.
- Marginalisatie over verschillende modelkeuzes en verstoringconfiguraties.
Externe convergentie ( $\kappa_{ext}$ ):
- Meting van de convergentie veroorzaakt door objecten langs de zichtlijn die niet expliciet in het lensmodel zijn opgenomen.
- Gebruik van wide-field imaging (Subaru SuprimeCam) en een "number count" techniek om de dichtheid van sterrenstelsels rond de lens te vergelijken met referentievelden.

Deze vier componenten werden gecombineerd om de tijdsvertraging-afstand ( $D_{\Delta t}$ ) en de hoekdiameter-afstand tot de lens ( $D_d$ ) te bepalen, wat direct leidt tot een meting van $H_0$ .

Belangrijkste Resultaten

Tijdsvertraging: De gemeten tijdsvertraging tussen de twee beelden is $176.3^{+11.4}_{-10.3}$ dagen (een precisie van 5,8%). Dit is iets hoger dan eerdere schattingen, maar gebaseerd op de langste en best bemonsterde lichtkromme tot nu toe.
Kinematica: De sterrensnelheidsdispersie werd gemeten in drie bins met een precisie van 5% tot 13%. De data bevestigt dat de lensgalaxie een "slow rotator" is.
Lensmodelling: Het kracht-wet model (Power-law) bleek beter te passen bij de kinematische data dan het composiet model. Het composiet model voorspelde een te steil profiel in het binnenste gebied, wat leidde tot een spanning van 2,1 $\sigma$ met de waargenomen snelheidsdispersie. Daarom kreeg het power-law model een gewicht van 95% in de finale analyse.
Externe convergentie: De meting van $\kappa_{ext}$ is $-0.019^{+0.058}_{-0.020}$ , wat aangeeft dat de zichtlijn door een licht onderdichte regio loopt.
Hubble-constante: De gecombineerde analyse resulteert in:
$H_0 = 64.2^{+5.8}_{-5.0} \times \lambda_{int} \text{ km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$
Waarbij $\lambda_{int}$ de interne mass-sheet-degeneratie parameter is (hier aangenomen als 1). De precisie is 8,5%.

Bijdragen en Betekenis

Validatie van Dubbele Systemen: Dit is de eerste succesvolle TDCOSMO-meting van een dubbel gelensd quasar. Het bewijst dat dubbele systemen, ondanks hun complexere modellering en minder onafhankelijke beperkingen, $H_0$ kunnen meten met een precisie (8,5%) die vergelijkbaar is met de beste vierfach gelenste systemen (4-6%).
Steekproefvergroting: Omdat dubbele systemen veel talrijker zijn, opent dit de weg om de TDCOSMO-steekproef aanzienlijk uit te breiden. Dit is cruciaal om de statistische onzekerheid te verkleinen en systematische fouten (zoals selectie-bias) die mogelijk alleen in quad-systemen voorkomen, te detecteren en te corrigeren.
Blind Analyse Protocol: De strikte toepassing van een blind analyseproces garandeert de objectiviteit van het resultaat en verhoogt de geloofwaardigheid van de meting.
Toekomstperspectief: Hoewel de huidige precisie nog niet de 1% doelstelling bereikt, is dit werk een essentiële "stepping stone". De volgende TDCOSMO-mijlpaal zal een hiërarchische analyse van een grote steekproef van zowel dubbele als vierfach gelenste systemen omvatten, waarbij $\lambda_{int}$ en $H_0$ gezamenlijk worden ingeschat.

Conclusie:
Het artikel toont aan dat HE 1104−1805 een robuust systeem is voor tijdvertraging-kosmografie. De meting van $H_0 = 64.2^{+5.8}_{-5.0}$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ is consistent met eerdere TDCOSMO-metingen en onderstreept het potentieel van dubbel gelenste quasar-systemen om de "Hubble-tension" op te lossen door de steekproefgrootte te vergroten en onafhankelijke systematische fouten te minimaliseren.