Các nhà thiên văn học đang tìm kiếm vũ trụ sơ khai đã có một khám phá đáng ngạc nhiên khi sử dụng NASA/ESA/CSA Kính viễn vọng Không gian James Webb. Khả năng quang phổ của Webb, kết hợp với độ nhạy hồng ngoại của nó, đã phát hiện ra một cụm thiên hà khổng lồ đang trong quá trình hình thành xung quanh một quasar cực đỏ. Kết quả sẽ mở rộng hiểu biết của chúng ta về cách các thiên hà trong Vũ trụ sơ khai liên kết với nhau thành mạng lưới vũ trụ mà chúng ta thấy ngày nay.
Quasar được đề cập, SDSS J165202.64+172852.3, là một quasar “cực đỏ” tồn tại từ rất sớm. Vũ trụ, 11.5 tỷ năm trước. Chuẩn tinh là một loại hạt nhân thiên hà đang hoạt động (AGN) cực kỳ phát sáng. Chuẩn tinh này là một trong những hạt nhân thiên hà mạnh nhất được biết đến đã được nhìn thấy ở khoảng cách cực xa như vậy. Các nhà thiên văn học đã suy đoán rằng sự phát xạ cực mạnh của quasar có thể gây ra “gió thiên hà”, đẩy khí tự do ra khỏi thiên hà chủ của nó và có thể ảnh hưởng lớn đến tương lai. ngôi sao hình thành ở đó.
AGN là một vùng nhỏ gọn ở trung tâm của một thiên hà, phát ra đủ bức xạ điện từ để tỏa sáng hơn tất cả các ngôi sao của thiên hà. AGN, bao gồm cả quasar, được cung cấp bởi khí rơi vào trạng thái siêu lớn hố đen ở trung tâm thiên hà của họ. Chúng thường phát ra lượng ánh sáng khổng lồ ở tất cả các bước sóng, nhưng lõi thiên hà này là thành viên của lớp đỏ bất thường. Ngoài màu đỏ nội tại của nó, ánh sáng của thiên hà còn bị dịch chuyển đỏ hơn nữa bởi khoảng cách rộng lớn của nó. Điều đó làm cho Webb, với độ nhạy vô song ở bước sóng hồng ngoại, hoàn toàn phù hợp để kiểm tra chi tiết thiên hà.
Để nghiên cứu chuyển động của khí, bụi và vật chất sao trong thiên hà, nhóm nghiên cứu đã sử dụng Máy quang phổ cận hồng ngoại (NIRSpec) của kính thiên văn. Thiết bị mạnh mẽ này có thể đồng thời thu thập quang phổ trên toàn bộ trường quan sát của kính viễn vọng, thay vì chỉ từ một điểm tại một thời điểm – một kỹ thuật được gọi là quang phổ đơn vị trường tích hợp (IFU). Điều này cho phép họ kiểm tra đồng thời quasar, thiên hà và môi trường xung quanh rộng lớn hơn.
Quang phổ học là rất quan trọng để hiểu được sự chuyển động của các dòng chảy và gió khác nhau xung quanh quasar. Chuyển động của các chất khí ảnh hưởng đến ánh sáng mà chúng phát ra và phản xạ, khiến ánh sáng có màu đỏ hoặc dịch chuyển xanh tương ứng với tốc độ và hướng của chúng. Nhóm nghiên cứu đã có thể nhìn thấy và mô tả đặc điểm của chuyển động này bằng cách theo dõi quá trình ion hóa ôxy trong quang phổ NIRSpec. Các quan sát của IFU đặc biệt hữu ích, với việc nhóm tận dụng tối đa khả năng thu thập quang phổ từ một khu vực rộng xung quanh chính chuẩn tinh.
Các nghiên cứu trước đây của, trong số những người khác, các NASA/ESA Kính viễn vọng Không gian Hubble và thiết bị Quang phổ trường Tích hợp Cận hồng ngoại trên kính thiên văn Gemini-North đã thu hút sự chú ý đến các dòng chảy mạnh mẽ của quasar và các nhà thiên văn học đã suy đoán rằng thiên hà chủ của nó có thể đang hợp nhất với một đối tác vô hình nào đó. Nhưng nhóm không mong đợi dữ liệu NIRSpec của Webb chỉ ra rõ ràng rằng họ không chỉ quan sát một thiên hà mà còn ít nhất ba thiên hà khác xoay quanh nó. Nhờ quang phổ IFU trên một khu vực rộng lớn, chuyển động của tất cả các vật chất xung quanh này có thể được lập bản đồ, dẫn đến kết luận rằng SDSS J165202.64+172852.3 trên thực tế là một phần của nút hình thành thiên hà dày đặc.
“Có rất ít cụm thiên hà được biết đến vào thời điểm này. Thật khó để tìm thấy chúng, và rất ít có thời gian để hình thành kể từ vụ nổ Big Bang,” nhà thiên văn học Dominika Wylezalek của Đại học Heidelberg ở Đức, người dẫn đầu cuộc nghiên cứu về vấn đề này quasar. “Điều này cuối cùng có thể giúp chúng tôi hiểu cách các thiên hà trong môi trường dày đặc phát triển… Đó là một kết quả thú vị.”
Sử dụng các quan sát IFU từ NIRSpec, nhóm nghiên cứu đã có thể xác nhận ba thiên hà đồng hành với chuẩn tinh này và chỉ ra cách chúng được kết nối. Lưu trữ dữ liệu từ Hubble gợi ý rằng có thể còn nhiều hơn nữa. Các hình ảnh từ Máy ảnh trường rộng 3 của Hubble đã cho thấy vật chất mở rộng bao quanh chuẩn tinh và thiên hà của nó, khiến nó được lựa chọn cho nghiên cứu này về dòng chảy của nó và các tác động lên thiên hà chủ của nó. Bây giờ, nhóm nghiên cứu nghi ngờ rằng họ có thể đã nhìn vào lõi của toàn bộ cụm thiên hà – giờ đây hình ảnh sắc nét của Webb mới tiết lộ.
“Cái nhìn đầu tiên của chúng tôi về dữ liệu đã nhanh chóng tiết lộ những dấu hiệu rõ ràng về sự tương tác chính giữa các thiên hà lân cận,” thành viên nhóm chia sẻ Andrey Vayner của Đại học Johns Hopkins ở Baltimore, Mỹ. “Độ nhạy của thiết bị NIRSpec rõ ràng ngay lập tức và tôi thấy rõ rằng chúng ta đang ở trong một kỷ nguyên mới của quang phổ hồng ngoại.”
Ba thiên hà được xác nhận đang quay quanh nhau với tốc độ cực cao, một dấu hiệu cho thấy có rất nhiều khối lượng. Khi kết hợp với mức độ chặt chẽ của chúng trong khu vực xung quanh chuẩn tinh này, nhóm nghiên cứu tin rằng điều này đánh dấu một trong những khu vực hình thành thiên hà dày đặc nhất được biết đến trong thời kỳ đầu. Vũ trụ. “Ngay cả một nút dày đặc của vật chất tối cũng không đủ để giải thích nó,” Wylezalek nói. “Chúng tôi nghĩ rằng chúng ta có thể đang nhìn thấy một khu vực nơi hai quầng vật chất tối khổng lồ đang hợp nhất với nhau.”
Nghiên cứu được thực hiện bởi nhóm của Wylezalek là một phần trong cuộc điều tra của Webb về Vũ trụ sơ khai. Với khả năng nhìn ngược thời gian chưa từng có, kính viễn vọng này đã được sử dụng để điều tra cách các thiên hà đầu tiên được hình thành và phát triển, cũng như cách các lỗ đen hình thành và ảnh hưởng đến cấu trúc của Vũ trụ. Nhóm nghiên cứu đang lên kế hoạch cho các quan sát tiếp theo về cụm thiên hà bất ngờ này và hy vọng sẽ sử dụng nó để hiểu các cụm thiên hà dày đặc, hỗn loạn như thế này hình thành như thế nào và nó bị ảnh hưởng như thế nào bởi lỗ đen siêu lớn đang hoạt động ở trung tâm của nó.
Tín dụng:
ESA/Webb, NASA & CSA, D. Wylezalek, A. Vayner & Nhóm Q3D
Mục tiêu đầu tiên của họ là quay trở lại câu hỏi về gió thiên hà và phản hồi chuẩn tinh. Các chuẩn tinh từ lâu đã bị nghi ngờ là thủ phạm làm giảm sự hình thành sao trong các thiên hà chủ của chúng bởi cơ chế phản hồi này, nhưng bằng chứng chắc chắn để liên kết cả hai đã khó đạt được. Các quan sát hiện tại chỉ là quan sát đầu tiên trong một tập hợp sẽ nghiên cứu ba quasar với Webb, mỗi quasar ở những thời điểm khác nhau trong quá khứ của Vũ trụ.
“Để tách ánh sáng cực kỳ rực rỡ của một quasar ở xa khỏi vật chủ mờ hơn nhiều và các đồng hành của nó là gần như không thể từ mặt đất. Khám phá chi tiết về những cơn gió thiên hà có thể tạo ra phản hồi thậm chí còn khó khăn hơn,” thành viên nhóm chia sẻ David Rupke của Rhodes College ở Memphis, Hoa Kỳ. “Bây giờ với Webb, chúng ta có thể thấy điều đó đang thay đổi.”
Nghiên cứu này được hoàn thành như một phần của Chương trình Khoa học Phát hành Sớm (ERS) của Webb. Những quan sát này đang diễn ra trong 5 tháng đầu tiên của hoạt động khoa học Webb. Các quan sát Webb mang lại kết quả này được lấy từ chương trình ERS #1335.
Tham khảo nhật ký
- 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. Kết quả đầu tiên từ Chương trình khoa học phát hành sớm JWST Q3D: Thời kỳ hỗn loạn trong cuộc đời của az∼3 quasar cực đỏ do NIRSpec IFU tiết lộ. Vật lý thiên văn của các thiên hà (astro-ph.GA); Vũ trụ học và Vật lý thiên văn Nongalactic (astro-ph.CO). arXiv: 2210.10074 [astro-ph.GA]
