Webb avslørte den overraskende dannelsen av en massiv galaksehop

Astronomer som ser inn i det tidlige universet har gjort en overraskende oppdagelse ved å bruke NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope. Webbs spektroskopiske evner, kombinert med dens infrarøde følsomhet, har avdekket en klynge av massive galakser i ferd med å dannes rundt en ekstremt rød kvasar. Resultatet vil utvide vår forståelse av hvordan galakser i det tidlige universet smeltet sammen til det kosmiske nettet vi ser i dag.

Kvasaren det er snakk om, SDSS J165202.64+172852.3, er en "ekstremt rød" kvasar som fantes helt tidlig Universe, for 11.5 milliarder år siden. Kvasarer er en sjelden, utrolig lysende type aktiv galaktisk kjerne (AGN). Denne kvasaren er en av de kraftigste kjente galaktiske kjernene som har blitt sett på så ekstrem avstand. Astronomer hadde spekulert i at kvasarens ekstreme utslipp kunne forårsake en "galaktisk vind", presse fri gass ut av vertsgalaksen og muligens ha stor innvirkning på fremtiden stjerne formasjon der.

En AGN er et kompakt område i sentrum av en galakse, som sender ut nok elektromagnetisk stråling til å overstråle alle galaksens stjerner. AGN-er, inkludert kvasarer, drives av gass som faller ned i en supermassiv svart hull i sentrum av galaksen deres. De sender vanligvis ut enorme mengder lys over alle bølgelengder, men denne galaktiske kjernen er medlem av en uvanlig rød klasse. I tillegg til den iboende røde fargen, har galaksens lys blitt ytterligere rødforskyvet på grunn av sin enorme avstand. Det gjorde Webb, med enestående følsomhet i infrarøde bølgelengder, perfekt egnet til å undersøke galaksen i detalj.

For å undersøke bevegelsen til gassen, støvet og stjernematerialet i galaksen, brukte teamet teleskopets Near Infrared Spectrograph (NIRSpec). Dette kraftige instrumentet kan samtidig samle spektre over hele teleskopets synsfelt, i stedet for bare fra ett punkt om gangen – en teknikk kjent som integral field unit (IFU) spektroskopi. Dette gjorde dem i stand til samtidig å undersøke kvasaren, dens galakse og de bredere omgivelsene.

Spektroskopi var avgjørende for å forstå bevegelsen til de forskjellige utstrømningene og vindene rundt kvasaren. Bevegelsene til gassene påvirker lyset som de sender ut og reflekterer, og får det til å forskyves rødt eller blått i forhold til hastigheten og retningen. Teamet var i stand til å se og karakterisere denne bevegelsen ved å spore ionisert oksygen i NIRSpec-spektra. IFU-observasjonene var spesielt nyttige, der teamet utnyttet muligheten til å samle spektre fra et stort område rundt selve kvasaren.

Tidligere studier av bl.a NASA/ESA Hubble Space Telescope og Near-Infrared Integral Field Spectrometer-instrumentet på Gemini-North-teleskopet gjorde oppmerksom på kvasarens kraftige utstrømninger, og astronomer hadde spekulert i at vertsgalaksen kunne smelte sammen med en usett partner. Men teamet forventet ikke at Webbs NIRSpec-data klart skulle indikere at de ikke bare så på én galakse, men minst tre til som virvlet rundt den. Takket være IFU-spektrene over et bredt område, kunne bevegelsene til alt dette omkringliggende materialet kartlegges, noe som resulterte i konklusjonen at SDSS J165202.64+172852.3 faktisk var en del av en tett knute med galakseformasjon.

"Det er få galakse-protoklynger kjent på dette tidlige tidspunktet. Det er vanskelig å finne dem, og svært få har hatt tid til å danne seg siden Big Bang. sa astronom Dominika Wylezalek av Heidelberg University i Tyskland, som ledet studien på dette kvasar. "Dette kan til slutt hjelpe oss å forstå hvordan galakser i tette miljøer utvikler seg ... Det er et spennende resultat."

Ved å bruke IFU-observasjonene fra NIRSpec, var teamet i stand til å bekrefte tre galaktiske følgesvenner til denne kvasaren og vise hvordan de henger sammen. Arkivdata fra Hubble antyder at det kan være enda flere. Bilder fra Hubbles Wide Field Camera 3 hadde vist utvidet materiale rundt kvasaren og galaksen, noe som førte til at den ble valgt for denne studien om dens utstrømning og effekten på vertsgalaksen. Nå mistenker teamet at de kunne ha sett på kjernen av en hel klynge galakser – først nå avslørt av Webbs skarpe bilde.

"Vår første titt på dataene avslørte raskt klare tegn på store interaksjoner mellom nabogalaksene," delte teammedlem Andrey Vayner av Johns Hopkins University i Baltimore, USA. "Følsomheten til NIRSpec-instrumentet var umiddelbart tydelig, og det var klart for meg at vi er inne i en ny æra av infrarød spektroskopi."

De tre bekreftede galaksene går i bane rundt hverandre i utrolig høye hastigheter, en indikasjon på at det er mye masse. Kombinert med hvor tett de er pakket inn i regionen rundt denne kvasaren, mener teamet at dette markerer et av de tetteste kjente områdene med galaksedannelse i tidlig Universe. "Selv en tett knute av mørk materie er ikke tilstrekkelig til å forklare det," sier Wylezalek. "Vi tror vi kan se en region der to massive glorier av mørk materie smelter sammen."

Studien utført av Wylezaleks team er en del av Webbs undersøkelser av det tidlige universet. Med sin enestående evne til å se tilbake i tid, blir teleskopet allerede brukt til å undersøke hvordan de første galaksene ble dannet og utviklet seg, og hvordan sorte hull dannet og påvirket universets struktur. Teamet planlegger oppfølgingsobservasjoner av denne uventede galakse-proto-klyngen, og håper å bruke den til å forstå hvordan tette, kaotiske galaksehoper som denne dannes, og hvordan den påvirkes av det aktive, supermassive sorte hullet i hjertet.

De tar først sikte på å komme tilbake til spørsmålet om galaktiske vinder og kvasar-tilbakemeldinger. Kvasarer har lenge vært mistenkt som årsaken til redusert stjernedannelse i vertsgalaksene deres ved denne tilbakemeldingsmekanismen, men det har vært vanskelig å finne faste bevis for å knytte de to sammen. De nåværende observasjonene er bare de første i et sett som vil studere tre kvasarer med Webb, hver til forskjellige tider i universets fortid.

«Å skille ut det utrolig sterke lyset fra en fjern kvasar fra den mye svakere verten og dens følgesvenner er nesten umulig fra bakken. Det er enda mer utfordrende å avdekke detaljene i de galaktiske vindene som kan gi tilbakemelding. delte teammedlem David Rupke fra Rhodes College i Memphis, USA. "Nå med Webb kan vi allerede se at det er i endring."

Denne forskningen ble fullført som en del av Webbs Early Release Science (ERS)-programmer. Disse observasjonene finner sted i løpet av de første 5 månedene av Webb vitenskapelige operasjoner. Webb-observasjonene som ga dette resultatet ble hentet fra ERS-programmet #1335.

Journal Reference

1. 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 til az∼3 ekstremt rød kvasar avslørt av NIRSpec IFU. Astrophysics of Galaxies (astro-ph.GA); Kosmologi og ikke-laktisk astrofysikk (astro-ph.CO). arxiv: 2210.10074 [astro-ph.GA]