Webb fängt die erstaunliche Verschmelzung von Quasaren und Galaxien im fernen Universum ein

Eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung des italienischen Nationalen Instituts für Astrophysik (INAF), an der 34 Forschungsinstitute und Universitäten aus der ganzen Welt beteiligt waren, nutzte den Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) an Bord des James Webb Space Telescope (JWST), um die spektakuläre Wechselwirkung zwischen ihnen zu beobachten ein Quasar im PJ308-21-System und zwei massereiche Satellitengalaxien im fernen Universum.

Die im September 2022 durchgeführten Beobachtungen enthüllten noch nie dagewesene und beeindruckende Details und lieferten neue Einblicke in das Wachstum von Galaxien im frühen Universum. Die Ergebnisse, die am 5. Juli auf dem Treffen der Europäischen Astronomischen Gesellschaft (EAS 2024) in Padua (Italien) vorgestellt wurden, werden in Kürze in veröffentlicht Astronomie und Astrophysik.

Beobachtungen dieses Quasars (der bereits von denselben Autoren in einer anderen im Mai letzten Jahres veröffentlichten Studie beschrieben wurde), einer der ersten, die mit NIRSpec untersucht wurden, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war (Rotverschiebung z = 6,2342), ergaben Daten von sensationeller Qualität: die Das Instrument „erfasste“ das Quasarspektrum mit einer Unsicherheit von weniger als 1 % pro Pixel.

Die Wirtsgalaxie von PJ308–21 weist eine hohe Metallizität und Photoionisierungsbedingungen auf, die typisch für einen aktiven galaktischen Kern (AGN) sind, während eine der Satellitengalaxien eine niedrige Metallizität (was sich auf die Häufigkeit chemischer Elemente bezieht, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind) und eine durch Photoionisierung induzierte Galaxie aufweist durch Sternentstehung; Eine höhere Metallizität kennzeichnet die zweite Satellitengalaxie, die durch den Quasar teilweise photoionisiert wird.

Diese Entdeckung ermöglichte es Astronomen, die Masse des supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum des Systems zu bestimmen (rund 2 Milliarden Sonnenmassen). Es bestätigte auch, dass der Quasar und die ihn umgebenden Galaxien hinsichtlich Masse und Metallanreicherung hochentwickelt sind und ständig wachsen.

Dies hat tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis der kosmischen Geschichte und der chemischen Entwicklung von Galaxien und unterstreicht die transformative Wirkung dieser Forschung.

Roberto Decarli, Forscher am INAF Bologna und Erstautor der Arbeit, erklärt: „Unsere Studie zeigt, dass Schwarze Löcher in den Zentren von Quasaren mit hoher Rotverschiebung und den Galaxien, die sie beherbergen, seit den ersten Milliarden Jahren der kosmischen Geschichte ein äußerst effizientes und turbulentes Wachstum durchlaufen.“ , unterstützt durch die reichhaltige galaktische Umgebung, in der sich diese Quellen bilden. »

Die Daten wurden im September 2022 im Rahmen des Programms 1554 gewonnen, einem der neun italienischen Projekte des ersten Beobachtungszyklus des JWST. Decarli leitet dieses Programm, um die Verschmelzung zwischen der Galaxie, in der sich der Quasar befindet (PJ308-21), und zwei seiner Satellitengalaxien zu beobachten.

Die Beobachtungen wurden im Integralfeldspektroskopiemodus durchgeführt: Für jedes Pixel des Bildes können wir das Spektrum des gesamten optischen Bandes (im restlichen Referenzrahmen der Quelle) beobachten, das durch die Expansion des Universums in Richtung Infrarot verschoben wird. Dadurch ist es möglich, verschiedene Gastracer (Emissionslinien) mithilfe eines 3D-Ansatzes zu untersuchen.

Mit dieser Technik entdeckte das INAF-geführte Team räumlich ausgedehnte Emissionen verschiedener Elemente, die zur Untersuchung der Eigenschaften des ionisierten interstellaren Mediums verwendet wurden, einschließlich der Quelle und Härte des photoionisierenden Strahlungsfeldes, der Metallizität, der Verdunkelung durch Staub und der Elektronendichte und Temperatur sowie Sternentstehungsrate.

Darüber hinaus haben Forscher geringfügige Sternenlichtemissionen im Zusammenhang mit Begleitquellen festgestellt.

Federica Loiacono, Astrophysikerin, Forscherin und Postdoktorandin am INAF, sagt: „Dank NIRSpec können wir im PJ308-21-System zum ersten Mal das optische Band untersuchen, das reich an wertvollen diagnostischen Daten über die Eigenschaften des Gases in der Nähe des Schwarzen ist.“ Loch in der Galaxie, in der sich der Quasar befindet, und in den umliegenden Galaxien.

„Wir können zum Beispiel die Emission von Wasserstoffatomen beobachten und sie mit den chemischen Elementen vergleichen, die von Sternen produziert werden, um festzustellen, wie metallreich das Gas in Galaxien ist.“

„Die bei der Reduzierung und Kalibrierung dieser Daten gesammelten Erfahrungen, die zu den ersten gehören, die mit NIRSpec im Vollfeldspektroskopiemodus gesammelt wurden, haben der italienischen Gemeinschaft einen strategischen Vorteil bei der Verwaltung ähnlicher Daten aus anderen Programmen verschafft. » Loiacono ist der italienische Ansprechpartner für NIRSpec-Datenreduktion im INAF JWST Support Center.

Sie fügt hinzu: „Dank der Empfindlichkeit des James Webb-Weltraumteleskops im nahen und mittleren Infrarot war es möglich, die Spektren von Quasaren und Begleitgalaxien im fernen Universum mit beispielloser Präzision zu untersuchen.“ Nur die hervorragende „Sicht“, die das JWST mit seinen unübertroffenen Fähigkeiten bietet, kann diese Beobachtungen garantieren. »

Diese Arbeit stellte eine echte „emotionale Achterbahnfahrt“ dar, fährt Decarli fort, „mit der Notwendigkeit, innovative Lösungen zu entwickeln, um die anfänglichen Schwierigkeiten der Datenreduktion zu überwinden.“

Die transformative Wirkung der Bordinstrumente des James Webb-Weltraumteleskops unterstreicht seine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung der astrophysikalischen Forschung.

„Bis vor ein paar Jahren waren Daten zur Metallanreicherung (wesentlich für das Verständnis der chemischen Entwicklung von Galaxien) für uns fast unerreichbar, insbesondere in diesen Entfernungen. Heute können wir sie innerhalb weniger Stunden nach der Beobachtung detailliert kartieren, selbst in Galaxien, die beobachtet wurden, als das Universum noch in den Kinderschuhen steckte“, schließt Decarli.