韦伯捕捉到遥远宇宙中惊人的类星体-星系合并
由意大利国家天体物理研究所（INAF）牵头、来自全球 34 所研究机构和大学的国际研究小组利用詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）搭载的近红外光谱仪（NIRSpec），目睹了 PJ308-21 系统内的一个类星体与遥远宇宙中两个巨大卫星星系之间的剧烈相互作用。这项于 2022 年 9 月进行的观测揭示了前所未有的、令人惊叹的细节，为早期宇宙中星系的成长提供了新的见解。该结果于 7 月 5 日在帕多瓦（意大利）举行的欧洲天文学会 ( EAS 2024 ) 会议上公布，并将很快在《天文学与天体物理学》上发表。
对这个类星体的观测（同一作者已在去年 5 月发表的另一项研究中对其进行了描述）是宇宙诞生不到 10 亿年（红移 z = 6.2342）时使用 NIRSpec 研究的第一批类星体之一，观测结果揭示了令人惊叹的高质量数据：该仪器“捕获”了类星体的光谱，每像素的不确定度不到 1%。
PJ308-21 的主星系表现出活动星系核(AGN) 典型的高金属度和光电离条件，而其中一个卫星星系表现出低金属度（指比氢和氦重的化学元素的丰度）和由恒星形成引起的光电离；第二个卫星星系的金属度较高，它被类星体部分光电离。
此次发现使得天文学家能够确定该系统中心超大质量黑洞的质量（约20亿个太阳质量），并证实类星体和周围星系的质量和金属富集程度都很高，且在不断增长。
这对我们理解宇宙历史和星系的化学演化具有深远的意义，凸显了这项研究的变革性影响。
博洛尼亚 INAF 研究员、文章第一作者 Roberto Decarli 解释说：“我们的研究表明，在宇宙历史的第一个 10 亿年里，高红移类星体中心的黑洞及其所在的星系都经历了极其高效和动荡的增长，这得益于这些源形成的丰富星系环境。”
这些数据是在 2022 年 9 月作为 1554 计划的一部分获得的，该计划是詹姆斯韦伯太空望远镜第一轮观测中意大利主导的九个项目之一。德卡利领导的这个项目旨在观察类星体 (PJ308-21) 所在星系与它的两个卫星星系的合并。
观测是在积分场光谱模式下进行的：对于每个图像像素，可以观察到整个光学波段（在源静止框架中）的光谱，由于宇宙膨胀而向红外方向移动。这允许使用 3D 方法研究各种气体示踪物（发射线）。
詹姆斯·韦伯太空望远镜观测到的 PJ308-21 系统中的电离氧发射图。每帧显示不同的速度范围。在动画中，我们可以看到该系统复杂的三维结构以及类星体周围卫星星系的“宇宙之舞”。来源：天文学与天体物理学(2024)。DOI：10.1051/0004-6361/202449239
得益于这项技术，INAF领导的团队探测到了不同元素的空间扩展发射，这些发射被用于研究电离星际介质的特性，包括光电离辐射场的来源和硬度、金属度、尘埃遮蔽、电子密度和温度、恒星形成率。
此外，研究人员还轻微探测到了与伴星源相关的星光发射。
INAF 天体物理学家、研究员兼博士后 Federica Loiacono 表示：“借助 NIRSpec，我们首次能够研究 PJ308-21 系统的光学波段，该波段包含有关类星体所在星系和周围星系中黑洞附近气体特性的丰富宝贵诊断数据。
“例如，我们可以看到氢原子的发射，并将其与恒星产生的化学元素进行比较，以确定星系中的气体中的金属含量有多丰富。
“这些数据是首次使用 NIRSpec 在积分场光谱模式下收集的，在缩减和校准这些数据方面的经验确保了意大利社区在管理来自其他项目的类似数据方面具有战略优势。” Loiacono 是 INAF JWST 支持中心的 NIRSpec 数据缩减意大利联系人。
她补充道：“得益于詹姆斯·韦伯太空望远镜在近红外和中红外波段的灵敏度，我们能够以前所未有的精度研究遥远宇宙中的类星体和伴星系的光谱。只有詹姆斯·韦伯太空望远镜凭借其无与伦比的能力提供的绝佳‘视野’才能确保这些观测。”
这项工作就像是一次真正的“情感过山车”，德卡利继续说道，“需要开发创新的解决方案来克服数据缩减的初始困难。”
詹姆斯韦伯太空望远镜所搭载仪器的变革性影响凸显了其在推动天体物理研究方面的关键作用。
“直到几年前，金属富集的数据（对于了解星系的化学演化至关重要）几乎超出了我们的范围，尤其是在这些距离上。现在，我们只需几个小时的观察就可以详细绘制出它们，即使是在宇宙处于婴儿期时观察到的星系也是如此，”Decarli 总结道。
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