Eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung des italienischen Nationalen Instituts für Astrophysik (INAF), der 34 Forschungsinstitute und Universitäten weltweit angehören, nutzte den Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) an Bord des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST), um die dramatische Wechselwirkung zwischen einem Quasar innerhalb des Systems PJ308–21 und zwei massereichen Satellitengalaxien im fernen Universum zu beobachten.
Die im September 2022 durchgeführten Beobachtungen enthüllten beispiellose und beeindruckende Details und lieferten neue Einblicke in das Wachstum von Galaxien im frühen Universum. Die Ergebnisse, die am 5. Juli während der Tagung der Europäischen Astronomischen Gesellschaft (EAS 2024) Treffen in Padua (Italien), wird erscheint in Kürze In Astronomie & Astrophysik.
Beobachtungen dieses Quasars (bereits von den gleichen Autoren beschrieben in eine weitere Studie Die im vergangenen Mai veröffentlichte Studie, eines der ersten, das mit NIRSpec untersucht wurde, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war (Rotverschiebung z = 6,2342), hat Daten von sensationeller Qualität geliefert: Das Instrument hat das Spektrum des Quasars mit einer Unsicherheit von weniger als 1 % pro Pixel „erfasst“.
Die Muttergalaxie von PJ308–21 weist eine hohe Metallizität und Photoionisationsbedingungen auf, die typisch für einen aktiven galaktischen Kern (AGN) sind, während eine der Satellitengalaxien eine niedrige Metallizität (die sich auf die Häufigkeit chemischer Elemente bezieht, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind) und eine durch Sternentstehung verursachte Photoionisation aufweist; eine höhere Metallizität kennzeichnet die zweite Satellitengalaxie, die teilweise durch den Quasar photoionisiert wird.
Die Entdeckung hat es den Astronomen ermöglicht, die Masse des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum des Systems zu bestimmen (etwa 2 Milliarden Sonnenmassen). Sie bestätigte auch, dass sowohl der Quasar als auch die ihn umgebenden Galaxien eine hochentwickelte Masse und Metallanreicherung aufweisen und ständig wachsen.
Dies hat tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis der kosmischen Geschichte und der chemischen Evolution von Galaxien und unterstreicht die transformative Wirkung dieser Forschung.
Roberto Decarli, Forscher am INAF in Bologna und Erstautor des Artikels, erklärt: „Unsere Studie zeigt, dass sowohl die Schwarzen Löcher im Zentrum von Quasaren mit hoher Rotverschiebung als auch die Galaxien, die sie beherbergen, bereits in der ersten Milliarde Jahre der kosmischen Geschichte ein äußerst effizientes und stürmisches Wachstum durchlaufen, begünstigt durch die reichhaltige galaktische Umgebung, in der diese Quellen entstehen.“
Die Daten wurden im September 2022 im Rahmen des Programms 1554 gewonnen, einem der neun von Italien geleiteten Projekte des ersten Beobachtungszyklus des JWST. Decarli leitet dieses Programm zur Beobachtung der Verschmelzung der Galaxie, in der sich der Quasar (PJ308-21) befindet, mit zwei ihrer Satellitengalaxien.
Die Beobachtungen wurden im Integralfeldspektroskopiemodus durchgeführt: Für jeden Bildpixel kann das Spektrum des gesamten optischen Bandes (im Ruhesystem der Quelle) beobachtet werden, das durch die Ausdehnung des Universums in Richtung Infrarot verschoben wurde. Dies ermöglicht die Untersuchung verschiedener Gastracer (Emissionslinien) mit einem 3D-Ansatz.
Karte der Emission ionisierten Sauerstoffs im System PJ308-21, beobachtet mit dem James Webb Space Telescope. Jedes Bild zeigt einen anderen Geschwindigkeitsbereich. In der Animation sehen wir die komplexe dreidimensionale Struktur des Systems und den „kosmischen Tanz“ der Satellitengalaxien um den Quasar. Bildnachweis: Astronomie & Astrophysik (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202449239
Dank dieser Technik konnte das vom INAF geleitete Team räumlich ausgedehnte Emissionen verschiedener Elemente feststellen, die zur Untersuchung der Eigenschaften des ionisierten interstellaren Mediums verwendet wurden, darunter Quelle und Härte des photoionisierenden Strahlungsfelds, Metallgehalt, Staubverdunkelung, Elektronendichte und -temperatur sowie Sternentstehungsrate.
Darüber hinaus konnten die Forscher geringfügige Sternlichtemissionen feststellen, die mit Begleitquellen in Zusammenhang stehen.
Federica Loiacono, Astrophysikerin, wissenschaftliche Mitarbeiterin und Postdoktorandin am INAF, erklärt: „Dank NIRSpec können wir im System PJ308-21 zum ersten Mal das optische Band untersuchen, das reich an wertvollen Diagnosedaten zu den Eigenschaften des Gases in der Nähe des Schwarzen Lochs in der Galaxie ist, in der sich der Quasar befindet, und in den umgebenden Galaxien.
„Wir können zum Beispiel die Emission von Wasserstoffatomen sehen und sie mit den von den Sternen produzierten chemischen Elementen vergleichen, um festzustellen, wie reich das Gas in den Galaxien an Metallen ist.
„Die Erfahrungen bei der Reduzierung und Kalibrierung dieser Daten, von denen einige die ersten waren, die mit NIRSpec im Integralfeldspektroskopiemodus erfasst wurden, haben der italienischen Gemeinschaft einen strategischen Vorteil bei der Verwaltung ähnlicher Daten aus anderen Programmen verschafft.“ Loiacono ist die italienische Kontaktperson für die 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, das Spektrum des Quasars und seiner Begleitgalaxien im fernen Universum mit beispielloser Präzision zu untersuchen. Nur die hervorragende ‚Sicht‘, die das JWST mit seinen beispiellosen Möglichkeiten bietet, kann diese Beobachtungen gewährleisten.“
Die Arbeit sei eine wahre „emotionale Achterbahnfahrt“ gewesen, so Decarli weiter, „mit der Notwendigkeit, innovative Lösungen zu entwickeln, um die anfänglichen Schwierigkeiten bei der Datenreduktion zu überwinden.“
Dieser bahnbrechende Einfluss der Bordinstrumente des James-Webb-Weltraumteleskops unterstreicht dessen entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung der astrophysikalischen Forschung.
„Bis vor ein paar Jahren waren Daten über die Anreicherung von Metallen (die für das Verständnis der chemischen Evolution von Galaxien von entscheidender Bedeutung sind) für uns fast unerreichbar, insbesondere bei diesen Entfernungen. Jetzt können wir sie mit nur wenigen Beobachtungsstunden detailliert kartieren, sogar bei Galaxien, die beobachtet wurden, als das Universum noch in der Anfangsphase war“, schlussfolgert Decarli.
Mehr Informationen:
Roberto Decarli et al., Eine Quasar-Galaxie-Verschmelzung bei z~6,2: Schnelles Wirtswachstum durch die Akkretion zweier massiver Satellitengalaxien, Astronomie & Astrophysik (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202449239. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2406.06697
Zur Verfügung gestellt vom Istituto Nazionale di Astrofisica