Астрономи, які досліджують ранній Всесвіт, зробили дивовижне відкриття за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба. Спектроскопічні можливості «Вебба» у поєднанні з інфрачервоною чутливістю дали змогу виявити скупчення масивних галактик у процесі формування навколо надзвичайно червоного квазара. Відкриття розширить наше розуміння того, як галактики в ранньому Всесвіті об’єдналися в космічну мережу, яку ми бачимо нині.
Квазар, про який ідеться, SDSS J165202.64+172852.3, є «надзвичайно червоним» квазаром, що існує в дуже ранньому Всесвіті — 11,5 мільярдів років тому. Квазари є рідкісним, неймовірно яскравим типом активного галактичного ядра (active galactic nucleus, AGN). Цей квазар — одне із найпотужніших активних галактичних ядер з нині відомих, які можна побачити на такій величезній відстані. Астрономи припустили, що надсильне випромінювання квазара може спричинити «галактичний вітер», виштовхуючи вільний газ із його галактики. Це, можливо, сильно вплинуло на утворення зір у майбутньому в цій галактиці.
Активне галактичне ядро — це компактна ділянка в центрі галактики, яка виділяє стільки електромагнітного випромінювання, що воно затьмарює сукупне випромінювання всіх зір галактики. AGN, зокрема і квазари, живляться газом, що потрапляє в надмасивну чорну діру в центрі їхньої галактики. Зазвичай вони випромінюють величезну кількість енергії на всіх довжинах хвиль, але це галактичне ядро належить до надзвичайно червоного класу. На додаток до свого червоного кольору, світло галактики додатково змістилося в червону ділянку електромагнітного спектра через величезну відстань. Саме тому «Вебб», що має неперевершену чутливість до інфрачервоних хвиль, ідеально підходить для докладного дослідження галактики.
Щоб дослідити рух газу, пилу та зір в галактиці, група науковців використала спектрограф ближнього інфрачервоного діапазону телескопа (Near Infrared Spectrograph, NIRSpec). Цей інструмент може одночасно отримувати спектри по усьому полі зору телескопа, а не лише в одній точці, — метод, відомий як спектроскопія інтегрального поля (integral field unit, IFU). Це дало змогу науковцям одночасно досліджувати квазар, його галактику та ширше оточення.
Спектроскопія була критично важливою для розуміння руху різних потоків і вітрів, що оточують квазар. Рухи газів впливають на світло, яке вони випромінюють і відбивають, змушуючи його зміщуватися в червону або синю ділянку спектра пропорційно їхній швидкості та напрямку [1]. Дослідники змогли побачити та охарактеризувати цей рух, відстежуючи іонізований кисень у спектрах NIRSpec. Спостереження методом IFU були особливо корисними, бо наукова група повністю скористалася можливістю отримувати спектри з широкої ділянки навколо квазара.
Цю світлину квазара отримали завдяки поєднанню чотирьох зображень, зроблених у ріжних вузьких діапазонах електромагнітного спектра. Фото з сайту www.esa.int.
Попередні дослідження, виконані, зокрема, за допомогою Космічного телескопа імені Габбла та інтегрального спектрометра ближнього інфрачервоного діапазону на телескопі Gemini-North («Джеміні-Північ»), привернули увагу до потужних потоків від квазара. Астрономи припустили, що його материнська галактика може зливатися з деякими невидимими супутниками. Але наукова група не очікувала, що дані від NIRSpec «Вебба» чітко вкажуть: дослідники спостерігають не одну галактику, а ще щонайменше три інші, які обертаються навколо неї. Завдяки спектрам, отриманим з великої ділянки неба, вдалося відобразити рух усієї цієї навколишньої речовини та дійти висновку, що SDSS J165202.64+172852.3 насправді був частиною «тугого вузла» у Всесвіті, де формувалися галактик.
Зображення широкого поля в центрі якого міститься квазар SDSS J165202.64+172852.3. Знімок отримано за допомогою Космічного телескопа імені Габбла. Фото з сайту www.esa.int.
«Дотепер відомо небагато протоскупчень галактик. Їх важко знайти, і дуже небагато їх встигли сформуватися після Великого Вибуху», — сказала астроном Домініка Вилезалек (Dominika Wylezalek) з Гейдельберзького університету в Німеччині, яка керувала дослідженням цього квазара. «Згодом це може допомогти нам зрозуміти, як розвиваються галактики в щільному середовищі… Це захопливий результат».
Виконавши спостереження методом IFU за допомогою NIRSpec, наукова група змогла підтвердити три галактики-супутника цього квазара та показати, як вони пов’язані. Архівні дані «Габбла» натякають, що їх може бути навіть більше. Зображення, отримані ширококутною камерою 3 «Габбла» (Wide Field Camera 3), показали речовину, що оточує квазар і його галактику. Саме це спонукало науковців обрати квазар для дослідження його випромінювання і речовини, що рухається від нього, та впливу на материнську галактику. Тепер наукова група підозрює, що вона могла спостерігати ядро цілого скупчення галактик. Чітке зображення від «Вебба» дало змогу це виявити.
«Наш перший погляд на дані швидко виявив явні ознаки великої взаємодії між сусідніми галактиками, — зазначив учасник наукової групи Андрій Вейнер (Andrey Vayner) з Університету Джона Гопкінса в Балтиморі, США. «Чутливість приладу NIRSpec стала очевидною відразу, і було зрозуміло — я в новій ері інфрачервоної спектроскопії».
Три підтверджені галактики обертаються одна навколо одної на дуже високих швидкостях. Це свідчить про те, що там є велика маса. Зважаючи на те, як тісно галактики розташовані в ділянці простору навколо квазара, науковці вважають, що це одна з найщільніших відомих ділянок утворення галактик у ранньому Всесвіті. «Навіть тугого вузла темної матерії недостатньо, щоб пояснити це, — сказала Вилезалек. «Ми вважаємо, що тут можемо спостерігати ділянку, де зливаються два масивних гало темної матерії».
Дослідження, виконане групою Вилезалек, є частиною досліджень раннього Всесвіту за допомогою космічного телескопа Вебба. Завдяки його безпрецедентній здатності заглядати в минуле, телескоп уже використовують для вивчення того, як утворювалися та еволюціонували перші галактики, а також як утворювалися та впливали на структуру Всесвіту чорні діри. Наукова група планує подальші спостереження цього несподіваного протоскупчення галактик. Науковці мають наміри використати його, щоб зрозуміти, як утворюються щільні, хаотичні скупчення галактик, такі, як це, і як на них впливає активна надмасивна чорна діра, що міститься в центрі скупчення.
Спершу дослідники прагнуть повернутися до питання галактичних вітрів і зворотного зв’язку квазарів. Тривалий час астрономи підозрювали, що квазари є винуватцями зменшення зореутворення в їхніх материнських галактиках через такий механізм зворотного зв’язку, але переконливі докази зв’язку між цими двома процесами було важко знайти. Нинішні спостереження є лише першими в серії, коли науковці вивчатимуть три квазари за допомогою «Вебба», кожен у різний час розвитку Всесвіту.
«Із Землі практично неможливо відокремити неймовірно яскраве світло далекого квазара від набагато тьмянішого джерела та його супутників. Розкрити деталі галактичних вітрів, які можуть викликати зворотний зв’язок, ще складніше», — пояснив учасник наукової групи Девід Рупке (David Rupke) з коледжу Роудса в Мемфісі (США). «З “Веббом” ми вже бачимо, що це змінюється».
Дослідження виконане в рамках програми Early Release Science (ERS) космічного телескопа Джеймса Вебба. Ці спостереження виконували протягом перших 5 місяців наукових операцій Webb. Спостереження «Вебба», які уможливили цей результат, були взяті з програми ERS №1335.
Примітки
[1] Коли світлові хвилі випромінює рухоме джерело, вони можуть бути стиснуті або розтягнуті з погляду спостерігача на Землі, залежно від напрямку руху джерела. Якщо джерело світла віддаляється від нас, його світло зміщується в бік червоних довжин хвиль, а якщо джерело рухається до нас, його світло стає синішим. Це явище відоме як ефект Доплера, аналогічно тому, як звукові хвилі зміщуються, коли їх випромінює транспортний засіб, що рухається, наприклад машина швидкої допомоги. Світлові хвилі також можуть бути червоними, бо простір між ними і нами розширюється — це так зване космологічне червоне зміщення.
За інф. з сайту www.esa.int підготував Іван Крячко
