TDCOSMO: XX. WFI2033--4723, the First Quadruply-Imaged Quasar Modeled with JWST Imaging
本文展示了首个基于 JWST 图像构建的四重像类星体透镜模型，证明了先进的 PSF 建模技术相比以往基于 HST 的模型，能显著提高时延宇宙学测量的精度并降低哈勃常数测量中的不确定性。
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宇宙正在膨胀，几十年来，天文学家一直试图精确测量其膨胀的速度。这种被称为哈勃常数的膨胀率是一个基本数值，它告诉我们宇宙的年龄和大小。然而，一个棘手的问题出现了：不同方法的测量结果给出了不同的答案。一种方法观察的是极早期宇宙的光，而另一种方法则测量附近恒星和星系的距离。这两种方法并不一致，并且随着测量精度的提高，这种差距正在不断扩大。解决这一分歧至关重要，因为这可能意味着我们目前的物理学理解是不完整的，需要对标准宇宙学模型进行修正。
为了解决这一争端，科学家们需要第三种独立的方法来测量膨胀率。其中最有希望的工具之一是被称为“引力透镜”的现象。当一个质量巨大的星系正好位于地球与一个遥远且明亮的物体（如类星体）之间时，它的引力会弯曲来自背景物体的光。如果对齐得非常完美，单个背景类星体就会呈现为围绕前景星系的四个分离图像。由于光从这四个图像到达我们时经过的路径略有不同，因此每个图像到达的时间也会稍有差异。通过测量这些到达时间之间的延迟并对前景星系的质量进行建模，天文学家就可以在不依赖其他两种方法的情况下计算出宇宙的膨胀率。
挑战一直在于，对前景星系质量的建模需要极其清晰的图像。前景星系不仅仅是一个平滑的斑点；它具有复杂的结构，而且其光线经常与背景类星体的光线混合在一起。为了理清这一点，天文学家需要准确了解他们的望远镜是如何使光线模糊的，这一特性被称为点扩散函数。多年来，哈勃空间望远镜一直为这项工作提供最佳图像，但即使是哈勃也有其极限。以詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）为首的新一代望远镜提供了以前所未有的清晰度观察这些系统的机会，有望消除阻碍进展的不确定性。
在这项研究中，一个研究小组利用詹姆斯·韦伯空间望远镜的力量，对一个被称为 WFI2033–4723 的特定系统进行了研究。这是一个四重成像类星体系统，这意味着背景物体呈现为围绕前景星系的四个清晰光点。该团队利用 JWST 获取了该系统的详细图像，并构建了一个全新的、高度精确的引力透镜模型。他们的目标是观察新望远镜的卓越分辨率是否能够改进时间延迟的测量以及透镜星系的质量分布，而这两者正是计算宇宙膨胀率的关键要素。
研究人员发现，新的望远镜数据使他们能够看到以前无法看到的细节。在旧的哈勃图像中，背景类星体的宿主星系看起来只是一个模糊的微弱斑块。而在 JWST 的图像中，宿主星系被清晰地解析了出来，显现出了环状结构甚至特定的恒星形成区。这种清晰度至关重要，因为它使团队能够更准确地绘制前景星系的质量图。以往模型中的一个主要误差来源是难以解释那些会对光线产生扰动的较小或附近的星系及卫星天体。在旧的 HST 模型中，靠近主透镜的一个小型卫星星系的质量基本上是无法约束的，这意味着模型无法判断它有多重。然而，新的 JWST 数据使团队能够直接测量这个卫星星系的质量。
通过纳入这些新的测量结果，该团队实现了精度的显著提升。他们发现，与基于哈勃数据的最佳以往模型相比，新模型将关键时间延迟测量的误差降低了 22%。这种精度在该类系统中创下了纪录。结果还显示，旧的模型一直在通过调整模型的其他部分（例如主星系质量分布的形状）来补偿关于卫星星系信息的缺失。随着卫星现在被妥善考虑在内，主星系的模型发生了变化，从而导致了对膨胀率略有不同的计算。具体而言，新数据表明，对于这个特定系统，其哈勃常数值比从哈勃空间望远镜数据中得出的值高出约 3%。
该研究还证明，詹姆斯·韦伯空间望远镜使光线发生模糊的复杂方式可以被足够精确地建模，从而使结果值得信赖。该团队开发并测试了重建望远镜点扩散函数的新技术，确保图像中看到的清晰细节是真实的，而非仪器的伪影。他们展示了这些新方法可以处理复杂的光模式而不会引入误差。这些发现证实了詹姆斯·韦伯空间望远镜是一个强大的宇宙学工具，能够完善那些此前被认为受限于可用数据质量的测量。
虽然本文侧重于建模方面的技术改进，并未计算出一个最终的、决定性的哈勃常数值，但它为实现这一目标奠定了必要的基础。研究人员指出，一份包含关于透镜周围环境更新数据的完整宇宙学分析将在未来的论文中呈现。然而，目前的工作证明了下一代透镜模型是完全可以实现的。通过解析透镜星系的微弱细节并准确测量附近扰动体的质量，詹姆斯·韦伯空间望远镜正在为更精确的宇宙膨胀测量开启大门，有望帮助解决现代物理学中最紧迫的谜团之一。
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