Κατανοώντας τις ιδιότητες των υπερφωτεινών υπέρυθρων γαλαξιών χάρη στο διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer

Οι φωτεινοί και υπερφωτεινοί υπέρυθροι γαλαξίες (LIRGs/ULIRGs) αποτελούν ενεργό τομέα έρευνας γαλαξιών από την εποχή της ανακάλυψή τους πριν από περισσότερες από τρεις δεκαετίες. Με την εντυπωσιακή ευαισθησία του στο υπέρυθρο, το διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer διαδραμάτισε έναν ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο στην εξερεύνηση αυτών των γαλαξιών τόσο στο τοπικό όσο και στο μακρινό Σύμπαν.

Σε ένα άρθρο επισκόπησης που δημοσιεύτηκε στο Nature Astronomy, οι L. Armus και B.T. Soifer του Caltech (ΗΠΑ) και ο Βασίλης Χαρμανδάρης του ΙΑ-ΙΤΕ και του Παν. της Κρήτης, παρουσιάζουν μερικές από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις που έγιναν με τον υπέρυθρο φασματογράφο (IRS) στο Spitzer, μέσω παρατηρήσεων φωτεινών και υπερφωτεινών υπέρυθρων γαλαξιών. Αυτές περιλαμβάνουν τον υπολογισμό της συνεισφοράς του έντονου σχηματισμού αστεριών μεγάλης μάζας και της προσαύξησης ύλης σε υπερμεγέθεις μελανές οπές στην παραγωγή ενέργειας του γαλαξία, την εύρεση ενδείξεων ανάδρασης στη μεσοαστρικό αέριο, τόσο σε ατομική όσο και σε μοριακή μορφή, αλλά στη σκόνη, καθώς και στον προσδιορισμό των φυσικών ιδιοτήτων των φωτεινών υπέρυθρων γαλαξιών εντός και εκτός της λεγόμενης "κύριας ακολουθίας" των γαλαξιών.

Η ανάλυση παρατηρήσεων του Spitzer που αφορούσε γαλαξίες τύπου LIRG και ULIRG στο κοντινό Σύμπαν προσέφερε  νέα υπέρυθρα "εργαλεία" και φασματικά πρότυπα για την κατανόηση των πηγών ενέργειας, της δυναμικής και των πολυφασικών διαστρικών μέσων σε κανονικούς και ενεργούς γαλαξίες. Η ανακάλυψη της συνύπαρξης ενεργών γαλαξιών πυρήνων και περιοχών έντονου σχηματισμού άστρων στους πυρήνες γαλαξιών, οι άμεσες αποδείξεις για την ύπαρξη ενεργειακά σημαντικών εκροών αερίου από τους πυρήνες και η συσχέτιση ανάμεσα της συμπαγούς πηγής υπέρυθρων και της θέσεως ενός γαλαξία στην "κύρια ακολουθία"  ήταν όλες επιτυχίες του Spitzer.

Ωστόσο, περιορισμοί στη χωρική και φασματική ανάλυση του Spitzer άφησαν αναπάντητα ερωτήματα σχετικά με το σχηματισμό άστρων κάτω από τέτοιες ακραίες συνθήκες και πώς υπερκαινοφανείς και ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες αλληλεπιδρούν και επηρεάζουν το αέριο σε φυσικές κλίμακες sub-kpc. Ακόμη και με τη χρήση υψηλής ανάλυσης φασμάτων του Spitzer/IRS, οι δυναμικές μελέτες περιορίστηκαν σε εξαιρετικά γρήγορα κινούμενο αέριο, δίνοντάς μας μια μερική και ίσως προκατειλημμένη όψη της ανάδρασης. Η χωρική ανάλυση, ακόμη και στα πλησιέστερα ULIRG, ήταν στην καλύτερη περίπτωση ~1-2 kpc, που περιλαμβάνουν κατά μέσο όρο πάνω από δεκάδες ή εκατοντάδες περιοχές σχηματισμού αστέρων και παρέχοντας μόνο κάποια όρια στα μεγέθη και τις ενεργειακές πυκνότητες στα κέντρα αυτών των γαλαξιών. Σε απομακρυσμένους γαλαξίες, οι εκτιμήσεις των πηγών ενέργειας βασίζονταν συχνά σε μεμονωμένους γαλαξίες καθώς για τη συνολική κατάσταση σε αυτούς και με το σήμα που έχει παρατηρηθεί να είναι σχετικά χαμηλής ποιότητας.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb είναι έτοιμο να μας προσφέρει την πιο ξεκάθαρη ματιά στη λεπτομερή φυσική μέσα στα ULIRG στο z <2, και να μας επιτρέψει να εξερευνήσουμε δείγματα γαλαξιών με μετατοπίσεις προς το ερυθρό z>2,  πολύ πριν από την περίοδο που το Σύμπαν δημιουργούσε έντονα αστέρια. Το όργανο Mid Infrared Imager Instrument (MIRI) του JWST είναι ένα πραγματικό τεχνολογικό άλμα στην παρατηρησιακή αστροφυσική. Αν και καλύπτει μια ελαφρώς μικρότερη φασματική περιοχή  από το IRS στο Spitzer, είναι περίπου 50 φορές πιο ευαίσθητο. έχει φασματική ανάλυση ~ 5 φορές υψηλότερη και χωρική ανάλυση σχεδόν 10 φορές καλύτερη από το Spitzer.

Article: L. Armus, V. Charmandaris, B. T. Soifer, "Observations of luminous infrared galaxies with the Spitzer Space Telescope", Nature Astronomy, Vol. 4, pages 467–477 (2020)