Zespół naukowców wykorzystał JWST aby zaobserwować interakcję między kwazarem a dwiema masywnymi galaktykami w odległym Wszechświecie.
Międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez Włoski Narodowy Instytut Astrofizyki (INAF) i składający się z 34 instytutów badawczych i uniwersytetów z całego świata wykorzystał spektrograf bliskiej podczerwieni (NIRSpec) na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), aby zobaczyć dramatyczną interakcję między kwazarem w układzie PJ308-21 a dwiema masywnymi galaktykami satelitarnymi w odległym Wszechświecie. Obserwacje przeprowadzone we wrześniu 2022 roku ujawniły bezprecedensowe i budzące podziw szczegóły, zapewniając nowy wgląd w rozwój galaktyk we wczesnym Wszechświecie. Badania zostały przyjęte do publikacji w czerwcu 2024 roku w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics.
Obserwacje tego kwazara (opisanego już przez tych samych autorów w badaniach opublikowanych w maju 2023 roku), jednego z pierwszych badanych za pomocą NIRSpec, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat (przesunięcie ku czerwieni z = 6,2342), ujawniły dane o rewelacyjnej jakości: instrument „uchwycił” widmo kwazara z niepewnością mniejszą niż 1% na piksel. Galaktyka macierzysta PJ308-21 wykazuje wysoką metaliczność i warunki fotojonizacji typowe dla aktywnego jądra galaktycznego (AGN), podczas gdy jedna z galaktyk satelitarnych wykazuje niską metaliczność (która odnosi się do obfitości pierwiastków chemicznych cięższych niż wodór i hel) i fotojonizację wywołaną formowaniem się gwiazd; wyższa metaliczność charakteryzuje drugą galaktykę satelitarną, która jest częściowo fotojonizowana przez kwazar.
Odkrycie to pozwoliło astronomom określić masę supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum układu (około 2 miliardy mas Słońca). Potwierdziło również, że zarówno kwazar, jak i otaczające go galaktyki są wysoce wyewoluowane pod względem masy i wzbogacenia w metale oraz stale się rozwijają. Ma to głębokie implikacje dla naszego zrozumienia historii kosmosu i ewolucji chemicznej galaktyk, podkreślając transformacyjny wpływ tych badań.
Roberto Decarli, badacz z INAF w Bolonii i pierwszy autor artykułu, wyjaśnił: Nasze badania ujawniają, że zarówno czarne dziury, jak i galaktyki, w których się znajdują, przechodzą niezwykle wydajny i burzliwy wzrost już w pierwszych miliardach lat kosmicznej historii, wspomagany przez bogate środowisko galaktyczne, w którym tworzą się te źródła. Dane zostały uzyskane we wrześniu 2022 roku w ramach Programu 1554, jednego z dziewięciu włoskich projektów pierwszego cyklu obserwacyjnego JWST. Decarli kieruje tym programem, aby obserwować połączenie galaktyki, w której znajduje się kwazar (PJ308-21) z dwiema jej galaktykami satelitarnymi.
Obserwacje przeprowadzono w trybie integralnej spektroskopii pola: dla każdego piksela obrazu można zaobserwować widmo całego pasma optycznego, przesunięte w kierunku podczerwieni przez ekspansję Wszechświata. Pozwala to na badania różnych znaczników gazu (linii emisyjnych) przy użyciu podejścia 3D. Dzięki tej technice zespół wykrył przestrzennie rozszerzone emisje różnych pierwiastków, które zostały wykorzystane do zbadania właściwości zjonizowanego ośrodka międzygwiazdowego, w tym źródła i twardości pola promieniowania fotojonizującego, metaliczności, przesłonięcia pyłu, gęstości i temperatury elektronów oraz tempa formowania się gwiazd. Co więcej, naukowcy marginalnie wykryli emisję światła gwiazdowego związaną ze źródłami towarzyszącymi.
Federica Loiacono, astrofizyk, pracownik naukowy w INAF, entuzjastycznie skomentowała wyniki: Dzięki NIRSpec po raz pierwszy możemy badać w układzie PJ308-21 pasmo optyczne, bogate w cenne dane diagnostyczne na temat właściwości gazu w pobliżu czarnej dziury w galaktyce, w której znajduje się kwazar, oraz w otaczających ją galaktykach. Możemy na przykład obserwować emisję atomów wodoru i porównać ją z pierwiastkami chemicznymi wytwarzanymi przez gwiazdy, aby ustalić, jak bogaty w metale jest gaz w galaktykach. Doświadczenie w redukcji i kalibracji tych danych, jednych z pierwszych zebranych za pomocą NIRSpec w trybie integralnej spektroskopii pola, zapewniło włoskiej społeczności strategiczną przewagę w zarządzaniu podobnymi danymi z innych programów.
I dodała: dzięki czułości JWST w bliskiej i średniej podczerwieni, możliwe było zbadanie widma kwazara i galaktyk towarzyszących z niespotykaną dotąd precyzją w odległym Wszechświecie. Tylko doskonałe „widzenie” oferowane przez JWST, z jego niezrównanymi możliwościami, może zapewnić te obserwacje. Praca stanowiła prawdziwy „emocjonalny rollercoaster”, dodał Decarli, z potrzebą opracowania innowacyjnych rozwiązań w celu przezwyciężenia początkowych trudności w redukcji danych.
Ten transformacyjny wpływ instrumentów pokładowych Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba podkreśla jego kluczową rolę w rozwoju badań astrofizycznych. Jeszcze kilka lat temu dane dotyczące wzbogacenia metali (niezbędne do zrozumienia chemicznej ewolucji galaktyk) były niemal poza naszym zasięgiem, zwłaszcza na takich odległościach. Teraz możemy je szczegółowo mapować za pomocą zaledwie kilku godzin obserwacji, nawet w galaktykach obserwowanych, gdy Wszechświat był w powijakach – podsumował Decarli.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
INAF
