Bezprecedensowe spojrzenie na łączące się galaktyki

Wykorzystując Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do spojrzenia w przeszłość na wczesny wszechświat, astronomowie odkryli niespodziankę: gromadę galaktyk łączących się wokół rzadkiego czerwonego kwazara wewnątrz masywnej czarnej dziury. Odkrycia dokonane przez Uniwersytet Johnsa Hopkinsa i międzynarodowy zespół oferują bezprecedensową możliwość obserwacji, jak miliardy lat temu galaktyki koalescowały się we współczesny wszechświat.

„Uważamy, że w tych układach ma się wydarzyć coś dramatycznego” – powiedział współautor Andrey Vayner, postdoktorant z Johns Hopkins, który bada ewolucję galaktyk. „Galaktyka znajduje się w tym idealnym momencie swojego życia, ma się przekształcić i wyglądać zupełnie inaczej za kilka miliardów lat”.

Praca jest w druku w Astrophysical Journal Letters i dostępna od dziś w repozytorium papierów arXiv.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, wystrzelony w grudniu ubiegłego roku przez NASA, Europejską Agencję Kosmiczną i Kanadyjską Agencję Kosmiczną, jest największym, najpotężniejszym teleskopem, jaki kiedykolwiek wysłano w kosmos. Jego pierwsze ogólne obserwacje zostały ujawnione w lipcu, ale to zdjęcie kwazara jest jednym z zaledwie 13 projektów „early look” wybranych w ramach wysoce konkurencyjnego globalnego konkursu, który ma zadecydować o tym, gdzie teleskop będzie skierowany w pierwszych miesiącach swojej pracy.

W Baltimore, zespół z Johns Hopkins usłyszał, że ich wybrany cel będzie obserwowany w ciągu kilku dni od odsłonięcia przez prezydenta Bidena debiutanckich zdjęć Webba 11 lipca, więc trzymał się blisko swoich komputerów. W następną letnią sobotę Vayner i student Yuzo Ishikawa wielokrotnie odświeżali bazę danych Webba, gdy nagle nadeszły dane, co doprowadziło do pospiesznego zebrania wielonarodowego zespołu w niedzielę, aby spróbować nadać sens oszałamiająco szczegółowym surowym obrazom.

Chociaż wcześniejsze obserwacje tego obszaru przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a NASA/ESA oraz instrument Integral Field Spectrometer w bliskiej podczerwieni na teleskopie Gemini-North wskazały kwazar i zasugerowały możliwość istnienia galaktyki w okresie przejściowym, nikt nie podejrzewał, że dzięki ostremu obrazowi Webba zobaczą wiele galaktyk, co najmniej trzy, wirujące w tym regionie.

„Przy poprzednich obrazach myśleliśmy, że widzimy wskazówki, że galaktyka prawdopodobnie oddziałuje z innymi galaktykami na drodze do fuzji, ponieważ ich kształty ulegają zniekształceniu w procesie i myśleliśmy, że być może to widzimy”, powiedziała współgłówna badaczka Nadia L. Zakamska, astrofizyk z Johns Hopkins, która pomogła wymyślić projekt w 2017 roku z ówczesnym postdocem Johnsa Hopkinsa, Dominiką Wylezalek, która obecnie jest liderem grupy na Uniwersytecie w Heidelbergu. „Ale po tym, jak otrzymaliśmy dane z Webb, byłem jak 'Nie mam pojęcia, na co my tu w ogóle patrzymy, co to wszystko jest!’. Spędziliśmy kilka tygodni po prostu gapiąc się i gapiąc na te obrazy”.

Webb ujawnił co najmniej trzy galaktyki poruszające się niewiarygodnie szybko, co sugeruje obecność dużej ilości masy. Zespół uważa, że może to być jeden z najgęstszych znanych obszarów formowania się galaktyk we wczesnym wszechświecie.

Ponieważ światło potrzebuje czasu, aby do nas dotrzeć, kiedy patrzymy na obiekty takie jak ten w bardzo odległych regionach wszechświata, widzimy światło, które zostało wyemitowane około 11,5 miliarda lat temu, czyli w najwcześniejszych etapach ewolucji wszechświata. Masywne roje galaktyk, takie jak ten, były wtedy prawdopodobnie powszechne, powiedziała Zakamska.

„To super ekscytujące być jedną z pierwszych osób, które zobaczyły ten naprawdę fajny obiekt” – powiedział Ishikawa, który przyczynił się do interpretacji roju galaktyk.

Nawet Vayner, który marzył o wykorzystaniu danych z Webba, odkąd po raz pierwszy usłyszał o teleskopie jako student, ponad dziesięć lat temu, i myślał, że wie, czego się spodziewać, był zszokowany, gdy zobaczył, że jego długo badane miejsce we wszechświecie zostało ujawnione z taką jasnością.

„To naprawdę zmieni nasze rozumienie tego obiektu” – powiedział Vayner, który odegrał kluczową rolę w przystosowaniu surowych danych Webba do analizy naukowej.

Oślepiająco jasny kwazar, napędzany przez to, co Zakamska nazywa „potworną” czarną dziurą w centrum galaktycznego wiru, jest rzadkim „ekstremalnie czerwonym” kwazarem, mającym około 11,5 miliarda lat i jednym z najpotężniejszych, jakie kiedykolwiek widziano z takiej odległości. Jest to w zasadzie czarna dziura w trakcie formowania, jak powiedział Vayner, zjadająca gaz wokół siebie i zwiększająca swoją masę. Obłoki pyłu i gazu pomiędzy Ziemią a świecącym gazem w pobliżu czarnej dziury sprawiają, że kwazar wydaje się czerwony.

Zespół już pracuje nad obserwacjami uzupełniającymi do tej niespodziewanej gromady galaktyk, mając nadzieję na lepsze zrozumienie, jak tworzą się gęste, chaotyczne gromady galaktyk i jak wpływa na nią supermasywna czarna dziura w jej sercu.

„To, co tu widać, to tylko mały podzbiór tego, co jest w zestawie danych” – powiedziała Zakamska. „Po prostu zbyt wiele się tu dzieje, więc najpierw podkreśliliśmy to, co naprawdę jest największą niespodzianką. Każdy kleks tutaj to galaktyka-dziecko łącząca się z galaktyką-matką, a kolory to różne prędkości i całość porusza się w niezwykle skomplikowany sposób. Teraz możemy zacząć rozplątywać te ruchy”.

Inni autorzy to: Wylezalek, Caroline Bertemes, Weizhe Liu, Jorge K. Barrera-Ballesteros, Hsiao-Wen Chen, Andy D. Goulding, Jenny E. Greene, Kevin N. Hainline, Nora Lutzgendorf, Fred Hamann, Timothy Heckman, Sean D. Johnson, Dieter Lutz, Vincenzo Mainieri, Roberto Maiolino, Nicole P. H. Nesvadba, Patrick Ogle i Eckhard Sturm

Źródło: Johns Hopkins University. Jill Rosen