VLBI megfigyelés és gravitációs lencse modellezés a JVAS B1938+666 rádióforráson

okt 22, 2025 | Tudomány

Bevezetés: A JVAS B1938+666 rádióforrás VLBI (Very Long Baseline Interferometry) megfigyelése egy globális VLBI hálózat segítségével történt, amely a Very Long Baseline Array (VLBA) és az Európai VLBI Hálózat (EVN) antennáit kombinálta. A vizsgálat célja a gravitációs lencse hatásainak részletes feltérképezése és az alacsony tömegű perturber objektumok azonosítása volt.

1. Megfigyelési stratégia és adatfeldolgozás

A megfigyelést 1,7 GHz-en, 14 órán keresztül végezték, 512 Mbit/s adatfelvételi sebességgel (GM068 projekt, vezető kutató: McKean). A VLBA antennák esetében standard fázisreferencia módszert alkalmaztak, a fáziskalibrátor J1933+654 volt. Emellett kb. négyóránként beiktattak egy fringe finder szkennt (3C454.3) a sávszélesség kalibrációjához.

Az adatok korrelációját a Joint Institute for VLBI-European Research Infrastructure Consortium (JIV-ERIC) végezte el, amely során 19 antenna adatait dolgozták fel. Az eredmény egy nyolc köztes frekvenciából álló adatállomány lett, mindegyik 8 MHz sávszélességgel, 32 csatornára bontva két körkörös polarizációban (RR és LL).

Az adatok feldolgozása az Astronomical Image Processing System (AIPS) szoftvercsomagban történt, követve a fázisreferált megfigyelések tipikus kalibrációs lépéseit. A végleges képet egy 7,4 mas × 4,7 mas felbontású restauráló sugárral állították elő, amelynek pozíciós szöge észak-kelet felé 32,1° volt.

A zajt Gauss-eloszlásúnak feltételezték és Fourier-tartományban mérték meg úgy, hogy időben egymás melletti láthatóságokat vontak ki egymásból a forrásjel eltávolítására, majd az így kapott értékek gyökátlag négyzetét számolták félórás időintervallumokban.

A nagyon érzékeny Effelsberg–Jodrell Bank–Westerbork háromszögbeli bázisvonalakat kizárták az elemzésből, hogy ne dominálják a modellt. Továbbá több bázisvonalat is kizártak rövid időszakokra rádiófrekvenciás interferencia miatt.

2. A háttér rádióforrás szerkezete

A háttér rádióforrás felszíni fényességeloszlása két rádió-lobból áll: egy fényesebb hot spotból, amely gravitációs ívvé van lencsézve, valamint egy halványabb hot spotból, amely kettős képként jelenik meg. A forrás fizikai tulajdonságait részletesen tárgyalja McKean et al. (ref.33).

3. Bayes-i inferencia és modellalkotás

3.1 Gravitációs lencse modellező szoftver – PRONTO

A láthatóság-térben végzett gravitációs lencse modellezést a PRONTO szoftverrel végezték el. Ez lehetővé teszi a pixeles forrásfelszíni fényesség és a lencseparaméterek együttes becslését az adott láthatóságok alapján.

A modellalkotás első szintjén meghatározzák a maximum a posteriori forrásképet adott lencseparaméterek és forrásregulárizáció mellett az alábbi lineáris egyenletrendszer megoldásával:

    A s_MP = (D L)^T C^{-1} d,
    ahol
    A = (D L)^T C^{-1} D L + λ_s R_s.
  

Itt L a lencseoperátor, amely leképezi a forrást a lencsetérbe; λ_s R_s pedig a forrás előzetes kovariancia mátrixa, ami bünteti az erős fényességgradiens változásokat; C^{-1} pedig az adatzaj inverze.

A Fourier operátort nem-egyenletes gyors Fourier transzformációval valósítják meg, míg az egyenletet preconditioned conjugate gradient módszerrel oldják meg.

3.2 Második szintű inferencia – paraméter mintavételezés

A második szinten mintavételezik a lencseparamétereket és regulárizációs súlyokat Bayes-i poszterior eloszlás alapján:

    P(η_H, λ_s | d) ∝ P(d | η_H, λ_s) P(η_H) P(λ_s).
  

A likelihood kifejezése magában foglalja az illeszkedési χ²-t és regulárizációs tagokat is:

    2 log P(d | η_H, λ_s) = -χ² - λ_s s_MP^T R_s s_MP - log det A + log det(λ_s R_s) + log det(2π C^{-1}).
  

A χ² kifejezés gyors számítását speciális technikával optimalizálták.

3.3 Modellparaméterek összehasonlítása

Különböző modellparaméterezéseket hasonlítottak össze a Bayes-i log-evidencia segítségével, amit nested sampling algoritmussal (MULTINEST) számoltak ki.

4. Parametrikus lencsemodell komponensek

Kritikus felület sűrűség:

    Σ_cr = c² D_s / (4 π G D_ls D_l),
    ahol D_s: távolság megfigyelőtől forráshoz,
          D_l: távolság megfigyelőtől lencséhez,
          D_ls: távolság lencsétől forráshoz.
  

A Planck2015 kozmológia alapján Σ_cr ≈ 1.50 ×10¹¹ M_☉ arcsec⁻² JVAS B1938+666 esetén (z_s=2.059; z_l=0.881).

4.1 Galaxis makromodell – elliptikus hatványtörvény szerinti tömegeloszlás

    κ(ξ) = (3 - γ)/2 × (R_E / ξ)^{γ -1},
    ahol ξ² = x² q + y² / q,
          q: tengelyarány,
          γ: térbeli logaritmikus meredekség,
          R_E: Einstein sugár.
  

A γ=2 izotermális profilt jelent. A pozíciót és orientációt x₀,y₀,θ₀ paraméterek adják meg.

4.2 Többszörös perturbációk

    κ_m(r, θ) = (r /1 arcsec)^{-(γ -1)} [a_m sin(m θ) + b_m cos(m θ)],
    m=3 vagy m=4 rendű perturbációk.
  

Ezekkel kezelik az ellipticitástól eltérő alakokat (pl. dobozszerűség). Az amplitúdókra Gauss-eloszlású priort alkalmaznak μ=0 és σ=0.01 értékekkel.

4.3 Külső nyírás

A makromodell tartalmaz külső nyírást Γ erősséggel és θ_Γ iránnyal.

5. Alacsony tömegű perturber profilok paraméterezése

Két fő típust alkalmaztak:

  • Truncated Isothermal Profile (PJ):
  • κ(r) = m_tot / (2 π r_t² Σ_cr) × [1/x -1/√(x² +1)],
    x = r / r_t,
    m_tot: teljes tömeg,
    r_t: levágási sugár.
    

    A levágási sugár lehet szabadon álló vagy tidális sugárra fixált:

    r_t = (2 R /3) × [m_tot / (2 M_lens(<r))]^{1 3},="" <="" a="" belül.="" centrumától,="" fő="" galaxis="" háromdimenziós="" lencse="" m_lens(
    
    
  • NFW profil:
  • κ(x) = 2 κ_s × [1 - F(x)] / (x² -1),
    F(x) =
       arctan√(x² -1)/√(x² -1), x >1
       artanh√(1 - x²)/√(1 - x²), x<1
       =1, x=1
    x = r / r_s,
    κ_s =ρ_s r_s / Σ_cr.
    

    Itt az NFW koncentrációt szabad paraméterként kezelték.

    6. Gravitációs képfeldolgozás – GIGI módszer

    A GIGI technika pixeles korrekciókat keres a lencse konvergenciájában nem-parametrikus módon, kiegészítve a paraméteres modellt lokális tömegnövekedések feltárására.

    L_GI ≡ [L | -L G_s G_ψ],
    G_s ≡ ∂s/∂x,
    G_ψ ≡ ∂α/∂ψ,
    r ≡ [s; ψ],
    R_GI ≡ diag(λ_s R_s , λ_ψ R_ψ).
    

    Itt ψ jelöli a pixelesített potenciál korrekciókat; különböző regulárizáló operátorokat alkalmaztak annak érdekében, hogy büntessék a teljes tömeget vagy annak gradiensét/kurvaturáját.

    A lineáris rendszer iteratív megoldása után konvergencia esetén meghatározható a valószínűség értéke is.

    7. Alacsony tömegű perturber várható száma és tömegeloszlása

    A meleg sötét anyag (WDM) alhalók differenciális tömegeloszlását az ún. „fél-módus tömeg” M_hm függvényében írják le:

    dn/dm = m^α × [1 + (α_2 M_hm / m)^β]^γ,
    α=-1.9, α_2=1.1, β=1.0, γ=-0.5.
    

    A várható alhaló szám μ_sub adott tömegtartományban:

    μ_sub = A_sens f_sub M_lens(<2 R_E)/(4 π R_E^2)
            × ∫_{ln M_min}^{ln M_max} m dn/dm d ln m /
              ∫_{ln M_min}^{ln M_max} m^{α+2} d ln m,
    M_min=10^6 M_☉,
    M_max=10^7 M_☉,
    f_sub=0.012,
    A_sens=1.06×10^{-2} arcsec^2.
    

    Itt A_sens azt az érzékeny területet jelöli körülbelül egy primer sugárnyaláb szélességével (~5 mas), ahol subhalók detektálhatók.

    8. Parametrikus modellezés eredményei – makromodell és perturber (mathcal{A})

    A makromodell mellett csak (mathcal{A})-t tartalmazó modelleket vizsgálták először; (mathcal{A}) kb. ~50 mas távol van legközelebbi rádióképtől így vörösshiftje nem határozható meg pontosan VLBI adatokból – ezért feltételezték ugyanazt mint fő lencsének (z=0.881).

    A legjobb modellek PJ típusú levágott izotermális profilok voltak ((mathcal{A}=mathrm{PJ}_{mathrm{free}}), (mathcal{A}=mathrm{PJ}_{mathrm{tidal}})) log-evidencia növekedése ΔlogE=16 értékben; NFW profil kevésbé preferált volt ΔlogE=13-mal; sima makromodell ΔlogE=0-val alap referencia.

    Kényelmi okokból választották (mathcal{A}=mathrm{PJ}_{mathrm{tidal}})-t referenciának további elemzéshez.

    9. Gravitációs képfeldolgozás ((mathcal{V}) detektálása)

    A GI módszerrel (mathcal{V})-nek nevezett kompakt tömegnövekedést találtak jelentősége >3σGI küszöb fölött minden regulárizáló beállításnál és képméret esetén (512 illetve1024 pixel).

    (mathcal{V}) hengeres tömege (m_{80,mathcal{V}}), azaz vetített tömeg egy80 pc sugarú körön belül (8.3 times10^{5} M_{odot} leq m_{80,mathcal{V}} leq1.8 times10^{6} M_{odot}). Az eltérés oka pixeles szabadsági fokok nagy száma és GI módszer nem-parametrikus jellege.

    10. Parametrikus modellezés – makromodell + (mathcal{A}) + (mathcal{V})

    További parametrikus modellezést végeztek (mathcal{V})-re is PJ profillal feltételezve z=0.881-et.

    (mathcal{V})-t tartalmazó modellek jelentősen jobbak voltak evidenciában (>25σ növekedés ΔlogE >332). Legjobb modellnek választották (mathcal{A}=mathrm{PJ}_{mathrm{tidal}}, mathcal{V}=mathrm{PJ}_{mathrm{free}}), ΔlogE=364-rel sima makromodellhez képest.

    (mathcal{V})-re kapott teljes tömeg (m_{mathcal{V}}=(2.82 pm0.26)times10^{6} M_{odot}), levágási sugár (r_{t,mathcal{V}}=149 pm18,pc). Az (m_{80,mathcal{V}}=(1.13 pm0.04)times10^{6} M_{odot}), jól egyezik GI eredményekkel.

    Tidális levágási sugárral számolva kisebb érték jött ki (~53 pc), ami kevésbé preferált modell szerintük – valószínűleg mert csak vetített távolságot használtak háromdimenziós helyett.

    (mathcal{A})-ra vonatkozó eredmények:

    • (m_{400,mathcal{A}}=(5.0 pm0.8)times10^{7} M_{odot}), levágási sugár (r_{t,mathcal{A}}=243 pm20,pc) PJ_tidal esetén;
    • PJ_free esetén (m_{400,mathcal{A}}=(5.2 pm0.7)times10^{7} M_{odot}), de (r_{t,mathcal{A}}) nem jól meghatározott;
    • Eredmények összhangban vannak Despali et al.-lal (~(7.7times10^{7} M_{odot})).

    11. Összegzés és következtetések

    Egyedülálló VLBI adatokat használtak fel JVAS B1938+666 rádióforrás részletes gravitációs lencse elemzésére globális VLBI hálózat segítségével.

    Kombinált bayes-i inferencia és nem-parametrikus képfeldolgozás segítségével sikerült két alacsony tömegű perturbert ((mathcal{A}), (mathcal{V})) detektálni és jellemzőiket pontosan meghatározni többféle modell alkalmazásával.

    Eredményeik fontos lépcsőfokot jelentenek az alacsony tömegű sötét anyag alstruktúrák vizsgálatában gravitációs lencséken keresztül, továbbá demonstrálják modern VLBI technikák erejét asztrofizikai kutatásokban.

Forrás: https://www.nature.com/articles/s41550-025-02651-2

Whiteia anniae: Új coelacanth faj felfedezése az ősi Kínában

A paleontológia világában izgalmas új felfedezés született Kínában: a kutatók egy eddig ismeretlen coelacanth-fajt, a Whiteia anniae-t írták le két fosszilizált példány alapján. Ez a lelet jelentősen kiterjeszti a Whiteia nemzetség földrajzi elterjedését az Ős-Triász...

IBS kezelése: Mediterrán diéta vagy alacsony FODMAP étrend?

Az irritábilis bél szindróma (IBS) sokak életét megnehezíti, és a tünetek enyhítésére számos étrendi megoldás létezik. Az utóbbi időben egyre több bizonyíték támasztja alá, hogy a mediterrán diéta hatékony segítséget nyújthat az IBS tüneteinek enyhítésében, ráadásul...

Az Egyesült Királyság költségvetési kihívásai: 20 milliárd fontos lyuk a közpénzekben

Az Egyesült Királyság kormánya egy vártnál nagyobb pénzügyi hiánnyal néz szembe, miközben készül a következő hónapban esedékes költségvetésre. A hivatalos előrejelző, az Office for Budget Responsibility (OBR) legfrissebb termelékenységi prognózisa ugyanis jelentős...

Whiteia anniae: Új coelacanth faj felfedezése az ősi Kínában

A paleontológia világában izgalmas új felfedezés született Kínában: a kutatók egy eddig ismeretlen coelacanth-fajt, a Whiteia anniae-t írták le két fosszilizált példány alapján. Ez a lelet jelentősen kiterjeszti a Whiteia nemzetség földrajzi elterjedését az Ős-Triász...

Antibiotikumok új korszaka: a pre-methylenomycin C lactone felfedezése a gyógyszerrezisztencia elleni harcban

Az antimikrobiális rezisztencia (AMR) napjaink egyik legsürgetőbb egészségügyi kihívása. A WHO legfrissebb jelentése szerint az antibakteriális szerek fejlesztése háttérbe szorult, és a kereskedelmi ösztönzők hiánya akadályozza az új antibiotikumok felfedezését. Egy...

Foveális felbontás határa és színérzékelés a látótérben – részletes vizsgálat

A foveális felbontás, vagyis a szem központi látóterének maximális részletfelbontása kulcsfontosságú tényező a vizuális élmény és a kijelzők fejlesztése szempontjából. Egy friss kutatás során achromatikus (szürkeárnyalatos), vörös-zöld és sárga-lila minták felbontási...

Patrick Gelsinger és a hit-alapú mesterséges intelligencia forradalma a Gloo élén

2024 márciusában, három hónappal azután, hogy Patrick Gelsingert kényszerítették távozásra az Intel vezérigazgatói posztjáról, és részvényesek pert indítottak ellene, új fejezetet nyitott karrierjében. Átvette a vezetést a Gloo nevű technológiai vállalatnál, amelyet ő...

EU Sovereign Tech Fund: Kulcsfontosságú befektetés az európai nyílt forráskódú szoftverek fenntarthatóságába

A digitális korszakban Európa egyre inkább szembesül azzal a kihívással, hogy technológiai függőségei és globális szoftverszállítási láncainak sebezhetőségei veszélyeztetik digitális szuverenitását, kiberbiztonságát és versenyképességét. Ezen kihívásokra reagálva a...

AWS kiesés és a Signal: Miért nincs alternatíva a nagy felhőszolgáltatóknál?

Az elmúlt héten az Amazon Web Services (AWS) jelentős kiesése nemcsak az internetes szolgáltatásokat érintette, hanem olyan népszerű alkalmazásokat is, mint a titkosított üzenetküldő platform, a Signal. Az esemény után Elon Musk gyorsan bírálta a Signal-t amiatt, hogy...

Indítsd jól a napod! Friss hírek és hasznos tippek közvetlenül az e-mail fiókodba

Az első lépés a sikeres naphoz Mindannyian tudjuk, hogy a nap indítása meghatározza az egész nap hangulatát és hatékonyságát. Egy jól megtervezett reggel segít abban, hogy energikusan, fókuszáltan és motiváltan kezdjük a teendőinket. De hogyan érhetjük el ezt a...

Grokipedia: Elon Musk új enciklopédiája, amely a Wikipédiára épít

Elon MuskxAI nemrégiben elindított egy új weboldalt, a Grokipediát, amely első ránézésre nagyon hasonlít a jól ismert Wikipédiára. Az oldal célja egy modern, könnyen használható tudásbázis létrehozása, amely állítólag jobb és megbízhatóbb alternatívája lehet a...

IBS kezelése: Mediterrán diéta vagy alacsony FODMAP étrend?

Az irritábilis bél szindróma (IBS) sokak életét megnehezíti, és a tünetek enyhítésére számos étrendi megoldás létezik. Az utóbbi időben egyre több bizonyíték támasztja alá, hogy a mediterrán diéta hatékony segítséget nyújthat az IBS tüneteinek enyhítésében, ráadásul...