Уэбб запечатлел поразительное слияние квазара и галактики в далекой Вселенной

Международная исследовательская группа под руководством Итальянского национального института астрофизики (INAF), в которую входят 34 научно-исследовательских института и университета по всему миру, использовала спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) на борту космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), чтобы стать свидетелями драматического взаимодействия между квазаром внутри системы PJ308–21 и двумя массивными галактиками-спутниками в далекой Вселенной.

Наблюдения, проведенные в сентябре 2022 года, раскрыли беспрецедентные и впечатляющие детали, предоставив новые сведения о росте галактик в ранней Вселенной. Результаты, представленные 5 июля во время Европейского астрономического общества (ЕАС 2024) встреча в Падуе (Италия), будет скоро опубликовано в Астрономия и астрофизика.

Наблюдения этого квазара (уже описанные теми же авторами в другое исследование опубликовано в мае прошлого года), одно из первых исследований с помощью NIRSpec, когда Вселенной было менее миллиарда лет (красное смещение z = 6,2342), выявило данные сенсационного качества: прибор «захватил» спектр квазара с погрешностью менее 1% на пиксель.

Родительская галактика PJ308–21 демонстрирует высокую металличность и условия фотоионизации, типичные для активного галактического ядра (АГЯ), тогда как одна из галактик-спутников демонстрирует низкую металличность (что относится к обилию химических элементов тяжелее водорода и гелия) и фотоионизацию, вызванную звездообразованием; более высокая металличность характеризует вторую галактику-спутник, которая частично фотоионизирована квазаром.

Открытие позволило астрономам определить массу сверхмассивной черной дыры в центре системы (около 2 миллиардов солнечных масс). Оно также подтвердило, что и квазар, и окружающие его галактики находятся в состоянии высокой эволюции в плане обогащения массой и металлами, а также постоянного роста.

Это имеет глубокие последствия для нашего понимания истории космоса и химической эволюции галактик, подчеркивая преобразующее влияние этого исследования.

Роберто Декарли, научный сотрудник INAF в Болонье и первый автор статьи, поясняет: «Наше исследование показывает, что как черные дыры в центре квазаров с высоким красным смещением, так и галактики, в которых они находятся, претерпевают чрезвычайно эффективный и бурный рост уже в первый миллиард лет космической истории, чему способствует богатая галактическая среда, в которой формируются эти источники».

Данные были получены в сентябре 2022 года в рамках Программы 1554, одного из девяти проектов под руководством Италии первого цикла наблюдений JWST. Декарли руководит этой программой по наблюдению за слиянием галактики, в которой находится квазар (PJ308-21), и двух ее галактик-спутников.

Наблюдения проводились в режиме интегральной полевой спектроскопии: для каждого пикселя изображения можно наблюдать спектр всего оптического диапазона (в системе покоя источника), смещенный в инфракрасную сторону расширением Вселенной. Это позволяет изучать различные газовые трассеры (эмиссионные линии) с использованием трехмерного подхода.

Карта ионизированного излучения кислорода в системе PJ308-21, полученная с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба. Каждый кадр показывает разный диапазон скоростей. В анимации мы видим сложную трехмерную структуру системы и «космический танец» галактик-спутников вокруг квазара. Кредит: Астрономия и астрофизика (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202449239

Благодаря этой методике группа под руководством INAF обнаружила пространственно протяженные излучения различных элементов, которые использовались для изучения свойств ионизированной межзвездной среды, включая источник и жесткость поля фотоионизирующего излучения, металличность, затенение пылью, плотность и температуру электронов, а также скорость звездообразования.

Кроме того, исследователи обнаружили незначительное излучение звездного света, связанное с сопутствующими источниками.

Федерика Лойаконо, астрофизик, научный сотрудник и постдок, работающий в INAF, утверждает: «Благодаря NIRSpec мы впервые можем изучать в системе PJ308-21 оптический диапазон, богатый ценными диагностическими данными о свойствах газа вблизи черной дыры в галактике, в которой находится квазар, и в окружающих галактиках».

«Мы можем наблюдать, например, излучение атомов водорода и сравнивать его с химическими элементами, производимыми звездами, чтобы установить, насколько газ в галактиках богат металлами.

«Опыт обработки и калибровки этих данных, некоторые из которых были впервые собраны с помощью NIRSpec в режиме интегральной полевой спектроскопии, обеспечил стратегическое преимущество итальянскому сообществу в управлении аналогичными данными из других программ». Лойаконо является контактным лицом в Италии по обработке данных NIRSpec в Центре поддержки JWST INAF.

Она добавляет: «Благодаря чувствительности космического телескопа Джеймса Уэбба в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне стало возможным изучать спектр квазара и сопутствующих галактик с беспрецедентной точностью в далекой Вселенной. Только превосходный «вид», предлагаемый JWST, с его непревзойденными возможностями, может гарантировать эти наблюдения».

Работа представляла собой настоящие «эмоциональные американские горки», продолжает Декарли, «с необходимостью разработки инновационных решений для преодоления первоначальных трудностей при обработке данных».

Это преобразующее воздействие бортовых приборов космического телескопа Джеймса Уэбба подчеркивает его решающую роль в развитии астрофизических исследований.

«Еще пару лет назад данные об обогащении металлов (необходимые для понимания химической эволюции галактик) были практически недоступны для нас, особенно на таких расстояниях. Теперь мы можем составить их подробную карту всего за несколько часов наблюдений, даже в галактиках, наблюдавшихся, когда Вселенная находилась в зачаточном состоянии», — заключает Декарли.