Уэбб запечатлел ошеломляющее слияние квазаров и галактик в далекой Вселенной

Карта линейного излучения водорода (красный и синий) и кислорода (зеленый цвет) в системе PJ308-21, показанная после маскировки света центрального квазара («QSO»). Различные цвета родительской галактики квазара и галактик-компаньонов на этой карте раскрывают физические свойства газа внутри них. Автор: Decarli/INAF/A&A 2024

Международная исследовательская группа под руководством Итальянского национального института астрофизики (INAF) и в которую входят 34 исследовательских института и университета по всему миру, использовала спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) на борту космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), чтобы засвидетельствовать драматическое взаимодействие между квазаром внутри системы PJ308–21 и двух массивных галактик-спутников в далекой Вселенной.

Наблюдения, сделанные в сентябре 2022 года, раскрыли беспрецедентные и впечатляющие детали, предоставив новое представление о росте галактик в ранней Вселенной. Результаты, представленные 5 июля на заседании Европейского астрономического общества ( EAS 2024) в Падуе (Италия),скоро будут опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysicals.

Наблюдения этого квазара (уже описанного теми же авторами в другом исследовании, опубликованном в мае прошлого года), одного из первых исследований с помощью NIRSpec, когда Вселенной было меньше миллиарда лет (красное смещение z = 6,2342), выявили 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 ядра галактики (АЯГ), тогда как одна из галактик-спутников демонстрирует низкую металличность (что относится к обилию химических элементов тяжелее водорода и гелия) и фотоионизацию, индуцированную путем звездообразования; более высокая металличность характеризует вторую галактику-спутник, частично фотоионизованную квазаром.

Открытие позволило астрономам определить массу сверхмассивной черной дыры в центре системы (около 2 миллиардов солнечных масс). Это также подтвердило, что как квазар, так и окружающие его галактики высоко развиты в плане массы и обогащения металлами, а также постоянного роста.

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

Роберто Декарли, исследователь INAF в Болонье и первый автор статьи, объясняет: «Наше исследование показывает, что как черные дыры в центре квазаров с большим 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 итальянских проектов первого цикла наблюдений JWST. Декарли возглавляет эту программу по наблюдению за слиянием галактики, в которой находится квазар (PJ308-21), и двух его галактик-спутников.

Наблюдения проводились в режиме интегрально-полевой спектроскопии: для каждого пикселя изображения можно наблюдать спектр всего оптического диапазона (в кадре покоя источника), сдвинутого в сторону инфракрасной области расширением Вселенной. Это позволяет изучать различные трассеры газа (линии излучения) с использованием 3D-подхода.

Благодаря этой методике команда под руководством INAF обнаружила пространственно протяженные выбросы различных элементов, которые были использованы для изучения свойств ионизированной межзвездной среды, включая источник и жесткость поля фотоионизирующего излучения, металличность, пылевое затемнение, электронную плотность и температура и скорость звездообразования.

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

Федерика Лойаконо, астрофизик, научный сотрудник и постдок, работающая в INAF, заявляет: «Благодаря NIRSpec мы впервые можем изучать в системе PJ308-21 оптический диапазон, богатый ценными диагностическими данными о свойствах газа вблизи черного спектра. дыра в галактике, содержащей квазар, и в окружающих галактиках.

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

«Опыт сокращения и калибровки этих данных, некоторые из первых, собранных с помощью NIRSpec в режиме интегральной полевой спектроскопии, обеспечил итальянскому сообществу стратегическое преимущество в управлении аналогичными данными из других программ». Лойаконо — итальянское контактное лицо по сокращению данных NIRSpec в Центре поддержки INAF JWST.

Она добавляет: «Благодаря чувствительности космического телескопа Джеймса Уэбба в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне стало возможным изучать спектр квазара и галактик-компаньонов с беспрецедентной точностью в далекой Вселенной. JWST с его непревзойденными возможностями может обеспечить такие наблюдения».

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

Такое преобразующее воздействие бортовых инструментов космического телескопа Джеймса Уэбба подчеркивает его решающую роль в продвижении астрофизических исследований.

«Еще пару лет назад данные об обогащении металлами (необходимые для понимания химической эволюции галактик) были почти за пределами нашей досягаемости, особенно на таких расстояниях. Теперь мы можем составить их подробную карту всего за несколько часов наблюдения». даже в галактиках, наблюдаемых, когда Вселенная находилась в зачаточном состоянии», — заключает Декарли.

Больше информации: Roberto Decarli et al, A quasar-galaxy merger at z~6.2: Rapid host growth via the accretion of two massive satellite galaxies, Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202449239. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2406.06697