Webb avslöjade den överraskande bildandet av en massiv galaxhop

Astronomer som tittar in i det tidiga universum har gjort en överraskande upptäckt med hjälp av NASA/ESA/CSA James Webb rymdteleskop. Webbs spektroskopiska kapacitet, i kombination med dess infraröda känslighet, har avslöjat ett kluster av massiva galaxer som håller på att bildas runt en extremt röd kvasar. Resultatet kommer att utöka vår förståelse av hur galaxer i det tidiga universum smälte samman till det kosmiska nätet vi ser idag.

Den aktuella kvasaren, SDSS J165202.64+172852.3, är en "extremt röd" kvasar som existerade i början Universum, för 11.5 miljarder år sedan. Kvasarer är en sällsynt, otroligt lysande typ av aktiv galaktisk kärna (AGN). Denna kvasar är en av de mest kraftfulla kända galaktiska kärnorna som har setts på ett så extremt avstånd. Astronomer hade spekulerat i att kvasarens extrema utsläpp skulle kunna orsaka en "galaktisk vind", som driver ut fri gas från dess värdgalax och möjligen i hög grad påverka framtiden stjärna bildning där.

En AGN är ett kompakt område i mitten av en galax, som sänder ut tillräckligt med elektromagnetisk strålning för att överglänsa alla galaxens stjärnor. AGN, inklusive kvasarer, drivs av gas som faller in i en supermassiv svart hål i mitten av deras galax. De sänder vanligtvis ut enorma mängder ljus över alla våglängder, men denna galaktiska kärna tillhör en ovanligt röd klass. Förutom sin inneboende röda färg har galaxens ljus rödförskjutits ytterligare på grund av dess stora avstånd. Det gjorde Webb, med oöverträffad känslighet i infraröda våglängder, perfekt lämpad för att undersöka galaxen i detalj.

För att undersöka rörelsen av gas, stoft och stjärnmaterial i galaxen använde teamet teleskopets Near Infrared Spectrograph (NIRSpec). Detta kraftfulla instrument kan samtidigt samla spektra över teleskopets hela synfält, istället för bara från en punkt i taget – en teknik som kallas integral fältenhet (IFU) spektroskopi. Detta gjorde det möjligt för dem att samtidigt undersöka kvasaren, dess galax och den vidare omgivningen.

Spektroskopi var avgörande för att förstå rörelsen av de olika utflödena och vindarna som omger kvasaren. Gasernas rörelser påverkar ljuset som de avger och reflekterar, vilket gör att det förskjuts rött eller blått i proportion till deras hastighet och riktning. Teamet kunde se och karakterisera denna rörelse genom att spåra joniserad syre i NIRSpec-spektra. IFU-observationerna var särskilt användbara, där teamet utnyttjade möjligheten att samla in spektra från ett brett område runt själva kvasaren.

Tidigare studier av bl.a NASA/ESA Rymdteleskopet Hubble och instrumentet Near-Infrared Integral Field Spectrometer på Gemini-North-teleskopet uppmärksammade kvasarens kraftfulla utflöden, och astronomer hade spekulerat i att dess värdgalax kunde smälta samman med någon osynlig partner. Men teamet förväntade sig inte att Webbs NIRSpec-data tydligt skulle indikera att de inte bara tittade på en galax, utan minst tre till som virvlade runt den. Tack vare IFU-spektra över ett brett område kunde rörelserna för allt detta omgivande material kartläggas, vilket resulterade i slutsatsen att SDSS J165202.64+172852.3 faktiskt var en del av en tät knut av galaxbildning.

"Det finns få galaxprotokluster kända vid denna tidiga tidpunkt. Det är svårt att hitta dem, och väldigt få har hunnit bildas sedan Big Bang.” sa astronomen Dominika Wylezalek från Heidelberg University i Tyskland, som ledde studien om detta quasar. "Detta kan så småningom hjälpa oss att förstå hur galaxer i täta miljöer utvecklas... Det är ett spännande resultat."

Med hjälp av IFU-observationerna från NIRSpec kunde teamet bekräfta tre galaktiska följeslagare till denna kvasar och visa hur de är anslutna. Arkivdata från Hubble antyder att det kan finnas ännu fler. Bilder från Hubbles Wide Field Camera 3 hade visat utökat material som omger kvasaren och dess galax, vilket föranledde dess val för denna studie av dess utflöde och effekterna på dess värdgalax. Nu misstänker teamet att de kunde ha tittat på kärnan i ett helt kluster av galaxer – först nu avslöjat av Webbs skarpa bild.

"Vår första titt på data avslöjade snabbt tydliga tecken på stora interaktioner mellan de närliggande galaxerna," delade lagmedlem Andrey Vayner från Johns Hopkins University i Baltimore, USA. "Känsligheten hos NIRSpec-instrumentet var omedelbart uppenbar, och det stod klart för mig att vi befinner oss i en ny era av infraröd spektroskopi."

De tre bekräftade galaxerna kretsar kring varandra med otroligt höga hastigheter, en indikation på att det finns en hel del massa. I kombination med hur tätt de är packade i området runt denna kvasar, tror teamet att detta markerar ett av de tätaste kända områdena av galaxbildning i början Universum. "Även en tät knut av mörk materia räcker inte för att förklara det," säger Wylezalek. "Vi tror att vi kan se en region där två massiva glorier av mörk materia smälter samman."

Studien utförd av Wylezaleks team är en del av Webbs undersökningar av det tidiga universum. Med sin oöverträffade förmåga att se tillbaka i tiden används teleskopet redan för att undersöka hur de första galaxerna bildades och utvecklades, och hur svarta hål bildades och påverkade universums struktur. Teamet planerar uppföljande observationer av detta oväntade galaxprotokluster och hoppas kunna använda det för att förstå hur täta, kaotiska galaxhopar som denna bildas och hur det påverkas av det aktiva, supermassiva svarta hålet i dess hjärta.

De syftar först till att återvända till frågan om galaktiska vindar och kvasaråterkoppling. Kvasarer har länge misstänkts vara den skyldige till minskad stjärnbildning i deras värdgalaxer genom denna återkopplingsmekanism, men det har varit svårt att få fasta bevis för att koppla ihop de två. De nuvarande observationerna är bara de första i en uppsättning som kommer att studera tre kvasarer med Webb, var och en vid olika tidpunkter i universums förflutna.

"Att lösa det otroligt starka ljuset från en avlägsen kvasar från den mycket svagare värden och dess följeslagare är nästan omöjligt från marken. Att avslöja detaljerna i de galaktiska vindarna som kan ge feedback är ännu mer utmanande.” delade teammedlemmen David Rupke från Rhodes College i Memphis, USA. "Nu med Webb kan vi redan se att det håller på att förändras."

Denna forskning slutfördes som en del av Webbs Early Release Science (ERS)-program. Dessa observationer äger rum under de första 5 månaderna av Webbs vetenskapliga verksamhet. Webb-observationerna som gav detta resultat togs från ERS-programmet #1335.

Tidskriftsreferens

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. De första resultaten från JWST Early Release Science Program Q3D: Turbulenta tider i livet för az∼3 extremt röd kvasar avslöjat av NIRSpec IFU. Astrophysics of Galaxies (astro-ph.GA); Kosmologi och nongalaktisk astrofysik (astro-ph.CO). arXiv: 2210.10074 [astro-ph.GA]