Probing cosmological evolution with the most powerful lenses in the universe.

Kvasarer er et av universets mest energirike fenomener: Varm gass som omgir et supermassivt sort hull i kjernen til en galakse kan sende ut mye mer stråling enn hele resten av galaksen til sammen. Dersom det befinner seg et tilstrekkelig massivt objekt langs synslinjen til en slik kvasar, kan strålingen fra kvasaren bli avbøyd i tyngdefeltet til det foranliggende objektet. Vi ser dermed flere bilder av samme objekt, et fenomen kjent som sterk gravitasjonslinsing. Man kjenner kun til tre slike tilfeller hvor kilden er en kvasar og linsen er en galaksehop. Ett av disse sjeldne linsesystemene ble oppdaget med bruk av NOT. Siden oppdagelsen i 2012 er dette objektet observert jevnlig med NOT, noe som har gjort det mulig å måle tidsforsinkelsen mellom lysstyrkevariasjonene i de tre lyssterkeste bildene av kvasaren. Variasjonene i B har en tidsforsinkelse på 43 døgn etter bilde A, mens bilde A har en tidsforsinkelse på 702 døgn etter bilde C (Dahle et al. 2015). I løpet av 2014 og 2015 økte lysstyrken til bilde C med mer enn 100%, og vi observerer nå de samme lysstyrkeøkningene i bildene A og B i løpet av 2016 og 2017. Fra og med sommeren 2016 har NOT blitt brukt til en observasjonskampanje for å måle intensitetsvariasjoner i en emisjonslinje i spekteret til kvasaren. Disse dataene kan, sammen med lysstyrkevariasjonene som måles med NOT på andre bølgelengder og variasjoner av spekteret til kvasaren, målt med Gemini-teleskopet på Hawaii, brukes til å bestemme massen til det sorte hullet i kvasaren. Denne observasjonskampanjen med bruk av både NOT og Gemini vil pågå fram til sommeren 2019. Resultatene vil gi en første nøyaktig måling av sorte hull-masser på kosmologiske avstander, noe som vil bidra til forståelsen av den samtidige oppbyggingen av supermassive sorte hull og deres omkringliggende galakser gjennom universets historie. Observasjoner med Hubble-teleskopet er brukt til å identifisere multiple bilder av flere fjerne galakser bak galaksehopen som fungerer som gravitasjonslinse. Avstanden (rødforskyvningen) til disse galaksene er målt ved hjelp av spektroskopiske observasjoner med Gemini-teleskopet. Dataene fra Hubble- og Gemini-observasjonene er kombinert med NOT-målingene av tidsforsinkelsene mellom kvasarbildene for å produsere en detaljert modell av massefordelingen i galaksehopen, inkludert fordelingen av mørk materie. Kvasarens lysstyrkevariasjoner i synlig lys målt ved NOT i perioden 2015-16 er sammenlignet med målinger av variasjoner i røntgenstråling med Swift-satellitten til NASA i samme periode. Resultatene viser ingen korrelasjon mellom variasjoner i synlig lys og røntgenstråling. Det er gjort avbildning med NOT og andre bakkebaserte teleskoper av et utvalg fjerne og massive galaksehoper funnet med Planck-satellitten til ESA. Disse observasjonene har blant annet som mål å identifisere spesielt kraftige gravitasjonslinser som kan brukes til å forstørre bilder av fjerne galakser for å studere galaksedannelse i det tidlige univers. En spesielt kraftig slik linse er oppdaget med NOT, ved at det er funnet en sterkt gravitasjonslinset galakse på uvanlig stor vinkelavstand fra linsesenteret. Denne galaksen er observert spektroskopisk med NOT for å måle rødforskyvning og dermed bedre forstå massefordelingen i galaksehopen som utgjør linsen. Dette arbeidet har også resultert i oppdagelsen av den klart lyssterkeste sterkt gravitasjonslinsede galaksen som er funnet til nå (Dahle et al. 2016). De ti lyssterkeste galaksene som hittil er funnet på denne avstanden i løpet av de 30 årene siden gravitasjonslinser ble oppdaget har bare 10-30% av den tilsynelatende lysstyrken til denne galaksen. Lyset fra denne galaksen har brukt 11 milliarder år på å nå oss, dvs. gravitasjonslinseeffekten gir en unik mulighet til detaljerte studier av de fysiske forholdene i en galakse på en tid da universet var bare en femtedel av sin nåværende alder. Nylige oppfølgende observasjoner med Hubble-teleskopet i april 2018 (PI: H. Dahle) har gjort den første detaljerte måling av hvor UV-stråling med bølgelengder <912Å unnslipper fra en fjern galakse. Det var slik stråling som forårsaket reionisasjon av hydrogenatomer på et enda tidligere stadium i universets historie. Målingene som viser hvordan strålingen unnslipper fra en galakse gir dermed unik innsikt i de fysiske forholdene i en viktig epoke i universets historie.

For the first time, a statistically well-defined sample of the ~300 most massive clusters of galaxies at redshifts 0.5 < z < 1.1 will be established, selected from the large cosmological volume probed by the ESA Planck mission. To utilize the Planck cluster sample as a reliable probe of the parameters that govern structure growth in the Universe, this project will determine the masses of a representative sub-sample of 90 clusters using the weak gravitational lensing technique. This will address the intriguing discrepancy between the number of galaxy clusters found by Planck and the number of clusters expected from the Planck observations of the primordial cosmic microwave background fluctuations. The detailed cluster mass distribution will be measured through a combination of strong and weak gravitational lensing measurements, both for the Planck cluster sample and for another sample of 38 strong cluster lenses found using NOT, for which we have been awarded two HST programmes. NOT will be used for a strong lens survey of Planck clusters. This should reveal the cause of the discrepancy between the predicted and observed numbers of clusters acting as strong gravitational lenses: The new HST data will significantly improve previous ground-based constraints on the central matter distribution in the cluster cores and thus firmly confirm or refute recent, statistically marginal, results which indicate that baryonic cooling and contraction may be responsible for modifying the central mass distribution in lower-mass clusters. Finally, the combination of the exquisite image quality of HST with the magnification boost due to lensing will allow robust measurements of the sizes, luminosities, star formation rates and stellar populations of individual star-forming clumps in 73 bright, strongly magnified background galaxies, providing the first ever comprehensive data on star formation at its fundamental scale over the entire peak of the star formation history in the Universe