Astronomer, der kigger ind i det tidlige univers, har gjort en overraskende opdagelse ved hjælp af NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope. Webbs spektroskopiske evner, kombineret med dens infrarøde følsomhed, har afsløret en klynge af massive galakser i færd med at dannes omkring en ekstremt rød kvasar. Resultatet vil udvide vores forståelse af, hvordan galakser i det tidlige univers smeltede sammen til det kosmiske net, vi ser i dag.
Den pågældende kvasar, SDSS J165202.64+172852.3, er en "ekstremt rød" kvasar, der eksisterede i den meget tidlige tid Universe, for 11.5 milliarder år siden. Kvasarer er en sjælden, utrolig lysende type aktiv galaktisk kerne (AGN). Denne kvasar er en af de mest kraftfulde kendte galaktiske kerner, der er blevet set på så ekstrem afstand. Astronomer havde spekuleret i, at kvasarens ekstreme emission kunne forårsage en "galaktisk vind", der skubbede fri gas ud af dens værtsgalakse og muligvis i høj grad påvirke fremtiden stjerne dannelse der.
En AGN er et kompakt område i centrum af en galakse, som udsender nok elektromagnetisk stråling til at overstråle alle galaksens stjerner. AGN'er, inklusive kvasarer, er drevet af gas, der falder ned i en supermassiv sort hul i midten af deres galakse. De udsender typisk enorme mængder lys over alle bølgelængder, men denne galaktiske kerne er medlem af en usædvanlig rød klasse. Ud over dens iboende røde farve er galaksens lys blevet yderligere rødforskudt på grund af dens enorme afstand. Det gjorde Webb, der havde uovertruffen følsomhed i infrarøde bølgelængder, perfekt egnet til at undersøge galaksen i detaljer.
For at undersøge bevægelsen af gas, støv og stjernemateriale i galaksen brugte holdet teleskopets Near Infrared Spectrograph (NIRSpec). Dette kraftfulde instrument kan samtidig samle spektre over hele teleskopets synsfelt, i stedet for kun fra et punkt ad gangen – en teknik kendt som integral field unit (IFU) spektroskopi. Dette gjorde dem i stand til samtidigt at undersøge kvasaren, dens galakse og de bredere omgivelser.
Spektroskopi var afgørende for at forstå bevægelsen af de forskellige udstrømninger og vinde omkring kvasaren. Gassernes bevægelser påvirker lyset, som de udsender og reflekterer, hvilket får det til at forskydes rødt eller blåt i forhold til deres hastighed og retning. Holdet var i stand til at se og karakterisere denne bevægelse ved at spore ioniseret ilt i NIRSpec-spektrene. IFU-observationerne var særligt nyttige, hvor holdet udnyttede evnen til at indsamle spektre fra et bredt område omkring selve kvasaren fuldt ud.
Tidligere undersøgelser af bl.a NASA/ESA Hubble Space Telescope og Near-Infrared Integral Field Spectrometer-instrumentet på Gemini-North-teleskopet gjorde opmærksom på kvasarens kraftige udstrømninger, og astronomer havde spekuleret i, at dens værtsgalakse kunne smelte sammen med en eller anden uset partner. Men holdet forventede ikke, at Webbs NIRSpec-data klart skulle indikere, at de ikke bare kiggede på en galakse, men mindst tre mere, der hvirvlede rundt om den. Takket være IFU-spektrene over et bredt område kunne bevægelserne af alt dette omgivende materiale kortlægges, hvilket resulterede i den konklusion, at SDSS J165202.64+172852.3 faktisk var en del af en tæt knude af galaksedannelse.
"Der er få galakse-protoklynger kendt på dette tidlige tidspunkt. Det er svært at finde dem, og meget få har haft tid til at danne sig siden Big Bang,” sagde astronom Dominika Wylezalek af Heidelberg Universitet i Tyskland, som ledede undersøgelsen heri kvasar. "Dette kan i sidste ende hjælpe os med at forstå, hvordan galakser i tætte miljøer udvikler sig... Det er et spændende resultat."
Ved at bruge IFU-observationerne fra NIRSpec var holdet i stand til at bekræfte tre galaktiske ledsagere til denne kvasar og vise, hvordan de er forbundet. Arkivdata fra Hubble antyder, at der kan være endnu flere. Billeder fra Hubbles Wide Field Camera 3 havde vist udvidet materiale omkring kvasaren og dens galakse, hvilket foranledigede dens valg til denne undersøgelse af dens udstrømning og virkningerne på dens værtsgalakse. Nu formoder holdet, at de kunne have kigget på kernen af en hel klynge af galakser - først nu afsløret af Webbs skarpe billeddannelse.
"Vores første kig på dataene afslørede hurtigt klare tegn på større interaktioner mellem de tilstødende galakser," delt teammedlem Andrey Vayner af Johns Hopkins University i Baltimore, USA. "Følsomheden af NIRSpec-instrumentet var umiddelbart tydelig, og det var klart for mig, at vi er i en ny æra med infrarød spektroskopi."
De tre bekræftede galakser kredser om hinanden med utrolig høje hastigheder, en indikation af, at der er en stor masse til stede. Når det kombineres med hvor tæt de er pakket ind i området omkring denne kvasar, mener holdet, at dette markerer et af de tætteste kendte områder med galaksedannelse i den tidlige tid. Universe. "Selv en tæt knude af mørkt stof er ikke tilstrækkelig til at forklare det," siger Wylezalek. "Vi tror, vi kunne se en region, hvor to massive glorier af mørkt stof smelter sammen."
Undersøgelsen udført af Wylezaleks team er en del af Webbs undersøgelser af det tidlige univers. Med sin hidtil usete evne til at se tilbage i tiden bliver teleskopet allerede brugt til at undersøge, hvordan de første galakser blev dannet og udviklet sig, og hvordan sorte huller dannede og påvirkede universets struktur. Holdet planlægger opfølgende observationer af denne uventede galakse-proto-klynge og håber at bruge den til at forstå, hvordan tætte, kaotiske galaksehobe som denne dannes, og hvordan den påvirkes af det aktive, supermassive sorte hul i dets hjerte.
Credit:
ESA/Webb, NASA & CSA, D. Wylezalek, A. Vayner og Q3D-teamet
De sigter først på at vende tilbage til spørgsmålet om galaktiske vinde og kvasarfeedback. Kvasarer har længe været mistænkt for at være synderen bag reduceret stjernedannelse i deres værtsgalakser med denne feedback-mekanisme, men det har været svært at finde solide beviser for at forbinde de to. De nuværende observationer er blot de første i et sæt, som vil studere tre kvasarer med Webb, hver på forskellige tidspunkter i universets fortid.
"At adskille det utroligt skarpe lys fra en fjern kvasar fra den meget svagere vært og dens ledsagere er næsten umuligt fra jorden. Det er endnu mere udfordrende at afdække detaljerne i de galaktiske vinde, der kan producere feedback." delt teammedlem David Rupke fra Rhodes College i Memphis, USA. "Nu med Webb kan vi allerede se, at det er ved at ændre sig."
Denne forskning blev afsluttet som en del af Webb's Early Release Science (ERS) programmer. Disse observationer finder sted i løbet af de første 5 måneder af Webb videnskabsoperationer. Webb-observationerne, der gav dette resultat, blev taget fra ERS-programmet #1335.
Journal Reference
- Dominika Wylezalek, Andrey Vayner, David SN Rupke, Nadia L. Zakamska, Sylvain Veilleux, Yuzo Ishikawa, Caroline Bertemes, Weizhe Liu, Jorge K. Barrera-Ballesteros, Hsiao-Wen Chen, Andy D. Goulding, Jenny E. Greene, Kevin N. Hainline, Nora Lützgendorf, Fred Hamann, Timothy Heckman, Sean D. Johnson, Dieter Lutz, Vincenzo Mainieri, Roberto Maiolino, Nicole PH Nesvadba, Patrick Ogle, Eckhard Sturm. Første resultater fra JWST Early Release Science Program Q3D: Turbulente tider i livet for az-3 ekstremt rød kvasar afsløret af NIRSpec IFU. Astrophysics of Galaxies (astro-ph.GA); Kosmologi og ikke-laktisk astrofysik (astro-ph.CO). arXiv: 2210.10074 [astro-ph.GA]
