Seit seinem Start am 25. Dezember 2021 hat das James Webb Space Telescope (JWST) die schärfsten und detailliertesten Bilder des Universums aufgenommen und sogar seinen Vorgänger, das ehrwürdige Hubble Space Telescope, übertroffen. Aber was besonders aufregend ist, sind die Arten von Beobachtungen, auf die wir uns freuen können, bei denen das JWST seine fortschrittlichen Fähigkeiten nutzen wird, um einige der dringendsten kosmologischen Geheimnisse anzugehen. Da ist zum Beispiel das Problem von supermassereichen Schwarzen Löchern (SMBHs) mit hoher Rotverschiebung oder hell leuchtenden Quasaren, die in den ersten Milliarden Jahren des Universums existierten.
Bis heute konnten Astronomen nicht feststellen, wie sich SMBHs so kurz nach dem Urknall gebildet haben könnten. Ein Teil des Problems war, dass bis vor kurzem Sterne in Wirtsgalaxien mit Rotverschiebungswerten von Z>2 (innerhalb von 10,324 Milliarden Lichtjahren) schwer fassbar waren. Aber dank des JWST hat ein internationales Team von Astronomen kürzlich zum ersten Mal Sterne in Quasaren bei Z>6 (innerhalb von 12,716 Milliarden Lichtjahren) beobachtet. Ihre Beobachtungen könnten es den Astronomen endlich ermöglichen, die Prozesse in frühen Quasaren zu beurteilen, die die Entstehung und Entwicklung der ersten SMBHs bestimmten.
Das Team bestand aus Astronomen mehrerer Institute, Universitäten und Observatorien in Japan, China, Europa, Großbritannien, den USA, Brasilien, Taiwan und Israel. Zu den bemerkenswerten Institutionen gehören die Kavli-Institute, die Max-Planck-Institute, das Institut d’Astrophysique de Paris (IAP) und Observatorien wie das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), das WM Keck Observatory, das Steward Observatory, das Leiden Observatory , und andere. Ihre Studie „Erste Detektionen von Sternlicht aus Quasar-Wirtsgalaxien bei z>6“ wird zur Veröffentlichung in der Zeitschrift geprüft Naturund eine Version des Papiers ist auf der verfügbar arXiv Preprint-Server.
Vor dem JWST waren Beobachtungen von Galaxien mit hoher Rotverschiebung durch die Datenqualität begrenzt und konnten nicht die erforderliche hochwertige Point-Spread-Funktion (PSF) liefern. Dies beschreibt die Fähigkeit eines optischen Systems, hochauflösende und fokussierte Bilder einer entfernten Punktlichtquelle zu erhalten. Um etwas Licht in die neuen Beobachtungen zu bringen, sprach Universe Today mit dem Projektleiter und Hauptautor Xuheng Ding (Kavli PMU) und den Co-Autoren Masafusa Onoue (Kavli PMU/Max-Planck-Institut für Astronomie) und John D. Silverman (Kavli PMU/Universität von Tokio). Wie sie per E-Mail mitgeteilt haben:
„Um die Wirtsgalaxie eines Quasars aufzudecken, muss grundsätzlich die Quasar+Wirt-Bildzerlegung durchgeführt werden. Der Quasar ist eine Punktquelle, die nicht aufgelöst ist und durch eine skalierte PSF beschrieben werden kann. Normalerweise stammen diese Informationen der PSF aus dem vereinzelte Sterne im Sichtfeld.
„Außerdem hat das JWST Daten mit höherer Auflösung und kann im Vergleich zum HST die rötere Wellenlänge beobachten, um diese Studie an der Probe mit höherer Rotverschiebung zu ermöglichen. Ein weiterer Vorteil dieses Programms besteht darin, dass wir vorgeschlagen haben, den Quasar mit geringerer Leuchtkraft zu beobachten, was die Subtraktion von macht Quasarbilder einfacher.“
Die Quasare, die sie für ihre Forschung auswählten, waren J2255+0251 und J2236+0032, zwei relativ schwach leuchtende Quasare mit Rotverschiebungen von 6,34 und 6,40. Dies entspricht einer Entfernung von etwa 13,43657 und 13,5637 Milliarden Lichtjahren (als das Licht, das wir sehen, diese Objekte verließ) oder 24,876 und 25,11 Milliarden Lichtjahren heute. Diese Quasare wurden erstmals im Rahmen einer Untersuchung identifiziert, die als Subaru High-z Exploration of Low-luminosity Quasars (SHELLQs) bekannt ist. Diese Vermessung verwendete das HSC-Instrument des Subaru-Teleskops, um 162 schwach leuchtende Quasare zu beobachten, die eine Milliarde Jahre nach dem Urknall existierten.
Diese Quasare sind nun Gegenstand von Folgebeobachtungen des JWST-Programms, um Galaxien mit hoher Rotverschiebung zu untersuchen und zum ersten Mal die Sterne in ihren Scheiben zu beobachten. Für ihre Studie untersuchte das Team Daten, die von der JWST Near-Infrared Camera (NIRCam) erhalten wurden, gefolgt von einer Modellierung und Subtraktion der Blendung der Quasare selbst. Anschließend verglichen sie ihre Beobachtungen mit Studien simulierter Quasarwirte bei hoher Rotverschiebung. Das Team bemerkte einige interessante Merkmale dieser Quasare und ihrer SMBHs, die sie von anderen frühen Galaxien unterscheiden.
„Die Ergebnisse zeigen, dass die Wirtsgalaxien dieser beiden Quasare massereich und kompakt sind“, sagten Ding und seine Kollegen. „Die zentralen Positionen sind zu den Quasaren versetzt, möglicherweise aufgrund einer ungleichmäßigen Staubdämpfung oder können darauf hindeuten, dass sich diese SMBH noch nicht im Zentrum des Gravitationspotentials befinden.“
Dies ähnelt den jüngsten Beobachtungen von Z>6-Quasar-Wirtsgalaxien, die sich auf das Atacama Large Millimeter-submillimeter Array (ALMA) stützten. Diese Beobachtungen stellten auch Versätze in frühen Quasaren zwischen den zentralen SMBHs und dem umgebenden interstellaren Gas, Staub und Sternen fest. Das Team stellt auch fest, dass diese Verschiebungen auf Asymmetrien zurückzuführen sein könnten, die durch Gezeitenkräfte erzeugt werden, möglicherweise aufgrund von Galaxienwechselwirkungen oder der klumpigen Akkretion von kaltem Gas. Das Team wird diese Hypothesen in weiteren Arbeiten auf der Grundlage von Daten aus dem Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) von 12 frühen Quasaren des JWST testen. Wie Ding und seine Kollegen sagten:
„Die Bedeutung dieses ersten Artikels unterstreicht die enorme Leistungsfähigkeit von JWST und den Beweis, dass der Nachweis des Quasarwirts bei z>6 möglich ist. Letztendlich wird unser Programm die ersten z~6-Quasarmessungen der Sternmasse des Wirts und der SMBH-Masse durchführen Beziehung, die verwendet werden wird, um ihre Co-Evolution der Galaxie und ihres zentralen SMBH zu verstehen. Diese Arbeiten werden auch nützlich sein, um den Ursprung von SMBH im frühen Universum zu verstehen.“
Mehr Informationen:
Xuheng Ding et al, Erste Nachweise von Sternlicht von Quasar-Wirtsgalaxien bei z > 6, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2211.14329