Spitzer entdeckt die Region der frühen Galaxienbildung

Das Spitzer-Weltraumteleskop (SST) ist das vierte und letzte Instrument in der Great Observatories-Reihe der NASA. Das SST folgte am 25. August 2003 dem Hubble-Weltraumteleskop (HST), dem Chandra-Röntgen- und dem Compton-Gammastrahlen-Observatorium in den Weltraum. Es befand sich in einer heliozentrischen (solaren) Erdumlaufbahn und arbeitete unter einer mehr als 2,5-jährigen Charta innerhalb der NASA Das Origins-Programm, das SST, enthüllte im Mai 2004 das erste öffentliche Licht und gab der Welt einen spektakulären Infrarotblick auf die große Spiralgalaxie M51 in Canes Venatici.

Lord Rosse beschrieb M51 erstmals 1845 als „Spiralnebel“. Erst als Edwin Hubble schwache variable Sterne in einem anderen „M“ – M31 – auflöste, erreichten M51 und andere „Spiralnebel“ einen Rang, der unserer eigenen Milchstraße entspricht – Galaxie!

Aber etwas zu benennen heißt nicht, es zu erklären. Eines der schwierigsten Dinge, die man über irgendetwas erklären kann, ist: "Wie ist es dazu gekommen, das zu sein, was es ist?"

Lange vor der Veröffentlichung von SSTs Bild von M51 hatten Astronomen bereits ein „Heads-up“ für eine seltene Instanz einer Klasse entfernter Objekte am Himmel erhalten – eine weitläufige Region aus Gas und Staub, die schwach leuchtet und dennoch von Sternlicht unbeaufsichtigt bleibt. Genau diese Art von Studie könnte die Art und Weise revolutionieren, wie Astronomen die Galaxienbildung verstehen. Das Origins-Programm der NASA hatte einen großen Erfolg erzielt, und nun bestand das Problem darin, den Läufer mithilfe anderer Datenquellen nach Hause zu bringen.

In einem Artikel mit dem Titel „Entdeckung eines großen gasförmigen Nebels mit ~ 200 kpc bei z = ~ 2,7 mit dem Spitzer-Weltraumteleskop“ (veröffentlicht am 29. März 2005) haben der Astrophysiker Arjun Dey vom National Optical Astronomy Observatory (NOAO) und Kollegen anderer Organisationen ( einschließlich des SST-Betriebszentrums im Jet Propulsion Laboratory) Daten aus der unteren Hälfte des em-Spektrums – Radio bis sichtbares Licht – zusammengetragen, um ein Bild der frühen Bildung von Galaxienhaufen zu zeichnen, die mit dieser angeregten (und aufregenden) Region aus Staub und Staub verbunden ist Gas befindet sich zeitlich und räumlich etwa 11,3 BLY entfernt.

Mit den Worten des Teams: „Wir berichten über die Entdeckung eines sehr großen räumlich ausgedehnten Nebels, der mit einer leuchtenden Quelle im mittleren Infrarot verbunden ist.“ Für Sie und mich bedeutet dies, dass sie „vor langer Zeit und weit entfernte Gebärmutter der frühen galaktischen Geburt“ entdeckt haben.

Das Objekt (SST24 J1434110 + 331733) wurde ursprünglich mit den MIPS- und IRAC-Detektoren des SST während einer mittleren Infrarotuntersuchung der Konstellation Bootes im Frühjahr Ende Januar 2004 kartiert. Nach der Datenreduktion durch JPL-Mitarbeiter wurde klar, dass SST24 einige bieten könnte äußerst bedeutende Einblicke in diese mysteriöse Ära der galaktischen Entfaltung, in der junge Galaxien in der Sternentstehung verankert sind. Um dieses Zeug zu durchdringen, müsste das Bild der Region mit Licht aus dem gesamten em-Spektrum erweitert werden.

Zum Teil war die Notwendigkeit, SST24 anders zu betrachten, auf die begrenzte Apertur des 0,84-Meter-Spiegels von SST und die mit Infrarotlicht verbundenen langen Wellenlängen zurückzuführen. Bestenfalls enthüllte der SST das zentrale Drittel des Nebels. (Die Instrumente an Bord des SST sind auf eine Detailauflösung von 6 Bogensekunden begrenzt.) Drei integrierte Detektoren (Infrarot-Array-Kamera -IRAC, Infrarotspektrograph – IRS und Multiband-Bildgebungsphotometer für Spitzer – MIPS) erfassen und analysieren Infrarotlicht im mittleren bis fernen Bereich -Infrarotwellenlängen (3,6-160 Mikrometer).

Obwohl das mit den drei SST-Instrumenten beobachtete Licht hauptsächlich von „warmen“ Objekten (Gasen und Staub) stammt, kann Licht von nahezu optischen Quellen auch nach einer expansiven Rotverschiebung über große Entfernungen gesehen werden. Interessanterweise wurde eine bestimmte helle Linie in demselben „nahezu optischen Licht“ erstmals von dem Astrophysiker Lyman Spitzer – Namensgeber des SST selbst – einem der führenden Befürworter der Infrarotastronomie des 20. Jahrhunderts, für den astronomischen Gebrauch markiert.

Zusammen mit Daten anderer Instrumente haben Dey und sein Team einen überzeugenden Fall für einen aktiven galaktischen Kern (AGN) innerhalb von SST24 zusammengestellt. Wenn dies verifiziert würde, würde ein solches AGN zeigen, dass Schwarze Löcher eine wichtige Rolle in der frühen Galaxienentwicklung spielen. Ein solches Beispiel könnte unser Verständnis der Galaxienbildung sehr wohl revolutionieren, indem es AGNs eher zur Ursache als zur Wirkung der Galaxiengruppenbildung macht…

Die visuellen Daten des mit SST24 verbundenen Teams wurden mit den 4-m- und 2,1-m-Teleskopen der NOAO in Kitt Peak, Arizona, gesammelt. Diese Instrumente verbesserten die SST-Auflösung um das Achtfache. Andere im optischen Licht verfügbare Daten erweiterten das Bild der Energieabgabe von SST24. Im Mai und Juni 2004 wurden spektrographische Informationen zu SST24 (zusammen mit Vordergrund- und Hintergrundobjekten) in fein abgestimmten und präzise ausgerichteten 1-Bogen-Sekunden-Streifen durch das 10-Meter-Keck-I-Instrument auf Mauna Kea, Hawaii, gesammelt.

Aus der Zusammenfassung des Papiers: „Die helle Quelle im mittleren Infrarot wurde erstmals bei Beobachtungen mit dem Spitzer-Weltraumteleskop nachgewiesen. Vorhandene Breitband-Bilddaten aus der NOAO Deep Wide-Field Survey zeigten, dass die Quelle im mittleren Infrarotbereich mit einem diffusen, räumlich ausgedehnten optischen Gegenstück assoziiert ist. Spektroskopie und weitere Bildgebung… zeigen, dass die optische Quelle fast ein rein linienemittierender Nebel ist mit wenig oder gar keiner nachweisbaren diffusen Kontinuumsemission. “

Typischerweise zeigen reife Galaxien ein vollständiges Lichtspektrum, das durch Schwarzkörperstrahlung von Sternphotosphären erzeugt wird. Solche Breitbandspektren werden üblicherweise durch schmale, helle Emissionslinien verstärkt, die mit atomarer Anregung verbunden sind. Das Spektrum von SST24 wird jedoch von einem einzigen schmalen Strahlungsband dominiert. Dieses Band – obwohl es aufgrund von 11,3 BLYs der Rezession etwa 3,7-mal rot verschoben war – ist mit der von Wasserstoffgas emittierten „Lyman Alpha“ -Frequenz verbunden. Normalerweise werden solche Lyman-Alpha-Wolken durch Stimulation von entfernten Hintergrundquasaren bestrahlt. Im Fall von SST24 kann jedoch ein anderer Mechanismus beteiligt sein – eine Quelle für Schwarze Löcher im Nebel selbst.

Beim Zusammensetzen der Struktur von SST24 stellte das Wissenschaftsteam fest, dass das AGN um fast ein Zehntel der gesamten Ausdehnung der Wolke vom Zentrum der Wolke versetzt ist. Obwohl unklar ist, welchen Einfluss dieser Versatz auf die Galaxienbildung hat, muss seine Tatsache in die zukünftige Modellierung der Galaxiengruppenbildung einbezogen werden.

Spektrographische Verschiebungen im Lyman-Alpha-Licht weisen auch darauf hin, dass sich die zentrale 100-KLY-Region von SST24 langsam dreht und das Massenäquivalent von etwa 6 Billionen Sonnen enthält – etwa das Fünffache derjenigen unserer eigenen Milchstraßen- und Whirlpool-Galaxien (M51) zusammen. SST24 umfasst eine Weltraumregion, die leicht die gesamte Milchstraße und alle zwölf Satellitengalaxien umfasst.

Aber SST24 ist nicht völlig frei von Sternentstehung. Das Team berichtet, dass "eine junge sternbildende Galaxie nahe dem nördlichen Ende des Nebels liegt". Diese Galaxie ist durch Staub gerötet, hat die gleiche Rotverschiebung wie die Lyman-Alpha-Strahlung sowie Breitbandstrahlung, die mit der Sternentstehung verbunden ist. Diese Galaxie gibt keinen Hinweis auf eine AGN. Aus diesem Grund werden wir vielleicht bald erfahren, dass AGNs möglicherweise keine wesentliche Rolle für die Bildung aller Galaxien spielen.

Obwohl die Hochfrequenzuntersuchung von SST24 schwierig ist (aufgrund von Auflösungsproblemen bei langen Wellenlängen), weist das Team darauf hin, dass das Verhältnis von mittlerer Infrarot- zu Radiowellendichte „eine bemerkenswerte Ähnlichkeit mit Starburst-Galaxien aufweist…“. Aus diesem Grund sind Teile von SST24 Ich werde eine Ära schneller Sternentwicklung durchlaufen, die schnell zur Enthüllung einer ausgewachsenen Galaxie führen könnte, die reich an leuchtenden Zuchtsternen ist.

SST24 ist nicht die einzige Lyman-Alpha-Wolke, die jemals entdeckt wurde, aber die wenigen entdeckten werden vom Wissenschaftsteam als außergewöhnlich angesehen: „Die Seltenheit dieser Lyman-Alpha-Wolken mit> 100 kpc, ihre Assoziation mit starken AGN- und Galaxienüberdichten und ihre Energetik lassen darauf schließen dass diese Regionen die Bildungsorte der massereichsten Galaxien sind. In diesem Fall kann das Verständnis der physikalischen Bedingungen und der Energie dieser Systeme wichtige Einblicke in den massiven Prozess der Galaxienbildung liefern. “

Geschrieben von Jeff Barbour

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