Webb a révélé la formation surprenante d'un amas de galaxies massif

Des astronomes qui étudient l'Univers primitif ont fait une découverte surprenante grâce au programme NASA/ESA/CSA. Télescope spatial James Webb. Les capacités spectroscopiques de Webb, combinées à sa sensibilité infrarouge, ont permis de découvrir un amas de galaxies massives en cours de formation autour d’un quasar extrêmement rouge. Le résultat élargira notre compréhension de la façon dont les galaxies du début de l’Univers se sont fusionnées pour former la toile cosmique que nous voyons aujourd’hui.

Le quasar en question, SDSS J165202.64+172852.3, est un quasar « extrêmement rouge » qui existe au tout début Univers, il y a 11.5 milliards d'années. Les quasars sont un type rare et incroyablement lumineux de noyau galactique actif (AGN). Ce quasar est l’un des noyaux galactiques les plus puissants connus ayant été observés à une distance aussi extrême. Les astronomes avaient émis l’hypothèse que l’émission extrême du quasar pourrait provoquer un « vent galactique », poussant le gaz libre hors de sa galaxie hôte et pouvant influencer grandement l’avenir. étoile formation là-bas.

Un AGN est une région compacte au centre d’une galaxie, qui émet suffisamment de rayonnement électromagnétique pour éclipser toutes les étoiles de la galaxie. Les AGN, y compris les quasars, sont alimentés par du gaz tombant dans un espace supermassif. trou noir au centre de leur galaxie. Ils émettent généralement de grandes quantités de lumière sur toutes les longueurs d’onde, mais ce noyau galactique fait partie d’une classe inhabituellement rouge. En plus de sa couleur rouge intrinsèque, la lumière de la galaxie a été encore plus décalée vers le rouge en raison de sa vaste distance. Cela rendait Webb, doté d'une sensibilité inégalée dans les longueurs d'onde infrarouges, parfaitement adapté pour examiner la galaxie en détail.

Pour étudier le mouvement du gaz, de la poussière et de la matière stellaire dans la galaxie, l’équipe a utilisé le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) du télescope. Cet instrument puissant peut collecter simultanément des spectres sur tout le champ de vision du télescope, au lieu de seulement à partir d’un point à la fois – une technique connue sous le nom de spectroscopie à unité de champ intégrale (IFU). Cela leur a permis d'examiner simultanément le quasar, ses galaxie et les environs plus larges.

La spectroscopie était essentielle pour comprendre le mouvement des différents flux et vents entourant le quasar. Les mouvements des gaz affectent la lumière qu'ils émettent et réfléchissent, provoquant un décalage vers le rouge ou le bleu proportionnellement à leur vitesse et à leur direction. L'équipe a pu voir et caractériser ce mouvement en suivant les particules ionisées oxygène dans les spectres NIRSpec. Les observations de l’IFU ont été particulièrement utiles, l’équipe tirant pleinement parti de la capacité de collecter des spectres sur une vaste zone autour du quasar lui-même.

Des études antérieures menées, entre autres, par le NASA/ESA Le télescope spatial Hubble et l’instrument spectromètre de champ intégral dans le proche infrarouge du télescope Gemini-North ont attiré l’attention sur les puissants flux sortants du quasar, et les astronomes avaient émis l’hypothèse que sa galaxie hôte pourrait fusionner avec un partenaire invisible. Mais l’équipe ne s’attendait pas à ce que les données NIRSpec de Webb indiquent clairement qu’elles ne regardaient pas seulement une galaxie, mais au moins trois autres tourbillonnant autour d’elle. Grâce aux spectres IFU sur une large zone, les mouvements de tout ce matériau environnant ont pu être cartographiés, ce qui a permis de conclure que SDSS J165202.64+172852.3 faisait en fait partie d'un nœud dense de formation de galaxies.

« Il existe peu de protoamas de galaxies connus à cette époque. C’est difficile d’en trouver, et très peu ont eu le temps de se former depuis le Big Bang. » a déclaré l'astronome Dominika Wylezalek de Université de Heidelberg en Allemagne, qui a dirigé l'étude sur ce sujet quasar. "Cela pourrait éventuellement nous aider à comprendre comment évoluent les galaxies dans des environnements denses... C'est un résultat passionnant."

Grâce aux observations IFU de NIRSpec, l’équipe a pu confirmer trois compagnons galactiques de ce quasar et montrer comment ils sont connectés. Les données d'archives de Hubble suggèrent qu'il pourrait y en avoir encore plus. Les images de la Wide Field Camera 3 de Hubble avaient montré une vaste matière entourant le quasar et sa galaxie, ce qui a incité à le sélectionner pour cette étude sur son écoulement et ses effets sur sa galaxie hôte. Aujourd’hui, l’équipe soupçonne qu’elle aurait pu observer le cœur de tout un amas de galaxies – ce qui vient seulement d’être révélé par l’imagerie nette de Webb.

"Notre premier examen des données a rapidement révélé des signes clairs d'interactions majeures entre les galaxies voisines." Andrey Vayner, membre de l'équipe partagée de Johns Hopkins University à Baltimore, aux États-Unis. "La sensibilité de l'instrument NIRSpec était immédiatement apparente et il était clair pour moi que nous étions dans une nouvelle ère de spectroscopie infrarouge."

Les trois galaxies confirmées tournent autour l’une de l’autre à des vitesses incroyablement élevées, ce qui indique qu’une grande masse est présente. Si l’on ajoute à cela leur proximité avec la région autour de ce quasar, l’équipe pense qu’il s’agit de l’une des zones de formation de galaxies les plus denses connues au début du quasar. Univers. « Même un nœud dense de matière noire ne suffit pas à l’expliquer. » dit Wylezalek. "Nous pensons que nous pourrions observer une région dans laquelle deux énormes halos de matière noire fusionnent."

L’étude menée par l’équipe de Wylezalek fait partie des recherches de Webb sur l’Univers primitif. Grâce à sa capacité sans précédent à remonter le temps, le télescope est déjà utilisé pour étudier comment les premières galaxies se sont formées et ont évolué, ainsi que comment les trous noirs se sont formés et ont influencé la structure de l'Univers. L’équipe prévoit des observations de suivi dans ce proto-amas de galaxies inattendu et espère l’utiliser pour comprendre à quel point des amas de galaxies denses et chaotiques comme celui-ci se forment et comment ils sont affectés par le trou noir supermassif actif en son cœur.

Ils visent dans un premier temps à revenir sur la question des vents galactiques et du feedback quasar. Les quasars ont longtemps été soupçonnés d'être responsables de la réduction de la formation d'étoiles dans leurs galaxies hôtes par ce mécanisme de rétroaction, mais il a été difficile d'obtenir des preuves solides permettant d'établir un lien entre les deux. Les observations actuelles ne sont que les premières d'une série qui étudiera trois quasars avec Webb, chacun à des moments différents du passé de l'Univers.

« Depuis le sol, il est presque impossible de démêler la lumière incroyablement brillante d’un quasar lointain de celle de son hôte beaucoup plus faible et de ses compagnons. Découvrir les détails des vents galactiques susceptibles de produire des réactions est encore plus difficile. » David Rupke, membre de l'équipe partagée du Rhodes College à Memphis, aux États-Unis. "Maintenant, avec Webb, nous pouvons déjà voir que cela change."

Cette recherche a été réalisée dans le cadre des programmes Early Release Science (ERS) de Webb. Ces observations ont lieu au cours des 5 premiers mois des opérations scientifiques de Webb. Les observations Webb qui ont donné ce résultat sont tirées du programme ERS #1335.

Référence du journal

1. Dominika Wylezalek, Andrey Vayner, David S. N. 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. Premiers résultats du programme scientifique JWST Early Release Q3D : périodes turbulentes dans la vie d'un quasar extrêmement rouge z∼3 révélées par NIRSpec IFU. Astrophysique des Galaxies (astro-ph.GA) ; Cosmologie et astrophysique non galactique (astro-ph.CO). arXiv: 2210.10074 [astro-ph.GA]