Αποκαλύπτοντας τους κρυμμένους πυρήνες των γαλαξιών με το διαστημικό τηλεσκόπιο Τζέιμς Γουέμπ

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) είναι το μεγαλύτερο τηλεσκόπιο που έχει σταλεί ποτέ στο διάστημα και είναι έτοιμο να προσφέρει ένα τεράστιο άλμα προς τα εμπρός στην προσπάθειά μας να κατανοήσουμε πώς σχηματίστηκαν και συναρμολογήθηκαν οι πρώτοι γαλαξίες στο Σύμπαν κατά τη διάρκεια του κοσμικού χρόνου, προσφέροντας παρατηρήσεις σε υπέρυθρα μήκη κύματος. Για να αναδειχθόν οι επιστημονικές δυνατότητες του JWST και να βοηθηθεί η επιστημονική κοινότητα από νωρίς, δημιουργήθηκε το πρόγραμμα Early Release Science (ERS). 

Ο Δρ. Tanio Diaz Santos και ο καθηγητής Βασίλης Χαρμανδάρης του ΙΑ-ΙΤΕ συμμετέχουν ενεργά στην πρωτοβουλία αυτή ως μέλη του προγράμματος ERS "A JWST Study of the Starburst-AGN Connection in Merging LIRGs", το οποίο έχει βα επικεφαλείς τον Δρ. Lee Armus (Caltech, ΗΠΑ) και τον καθηγητή A. Evans (Univ. of Virginia, ΗΠΑ). Ο στόχος αυτού του προγράμματος είναι να συνεισφέρει καθοριστικά στην κατανόηση της γαλαξιακής εξέλιξης, παρέχοντας μια λεπτομερή ματιά στη φυσική του σχηματισμού αστέρων και της δημιουργίας υπερμαζικών μελανών οπών σε κοντινούς αλληλεπιδρώντες γαλαξίες. Για το σκοπό αυτό λαμβάνονται φωτομετρικές (όργανα NIRCam και MIRI/Imager του JWST) και φασματοσκοπικές (όργανα NIRSpec και MIRI/MRS 3D του JWST) παρατηρήσεις, για να αποκαλυφθεί τόσο η δυναμική όσο και η εκπομπή ενέργειας του μεσοαστρικού μέσου σε κλίμακες 50-100pc γύρω από τους πυρήνες μερικών τοπικών φωτεινών υπέρυθρων γαλαξιών (LIRGs) που έχουν επιλεγεί από το πρόγραμμα GOALS (Great Observatories All-sky LIRG survey). Πρόσφατα, θεαματικά αποτελέσματα του JWST για δύο γαλαξίες του δείγματος, τους VV 114 και IIZw 096, δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Astrophysical Journal Letters.

Ο VV 114 είναι ένα σύστημα δύο αλληλεπιδρώντων γαλαξιών με τον δυτικό γαλαξία (VV 114W) πλούσιο σε οπτικά αστρικά σμήνη και τον ανατολικό (VV 114E) να φιλοξενεί έναν φωτεινό πυρήνα στο μέσο υπέρυθρου, ο οποίος όμως κρύβεται στο υπεριώδες και οπτικό φως από λωρίδες σκόνης. Χάρη στο JWST/MIRI, ο πυρήνας VV 114E διαχωρίζεται τώρα σε δύο φωτεινούς ΒΑ και ΝΔ πυρήνες που απέχουν μεταξύ τους 630 pc, ή ~ 2000 έτη φωτός (βλ. Εικόνα 1). Επιπλέον, αυτός ο πυρήνας εκπέμπει το 45% του συνολικού φωτός του VV 114 στα 15 μm, με τους ΒΑ και ΝΔ πυρήνεςνα έχουν επιφανειακές πυκνότητες φωτεινότητας στο υπέρυθρο τόσο μεγάλες όσο αυτές στην περιοχή  του Ωρίωνα, η πιο ενεργή περιοχή αστροπαραγωγής στον Γαλαξία μας, ή τους πυρήνες του Arp 220, τον πιο γνωστό αλληλεπιδρώντα γαλαξία με έντονη υπέρυθρη φωτεινότητα. Ο ΒΑ πυρήνας, που προηγουμένως είχε θεωρηθεί ότι περιείχε έναν ενεργό γαλαξιακό πυρήνα (AGN), έχει χρώματα στο μέσο υπέρυθρο που υποδηλώνουν εκπομπή από σχηματισμό νέων άστρων. Αντίθετα, ο ΝΔ πυρήνας του VV 114E έχει χρώματα που μοιάζουν με AGN, γεγονός που υποδηλώνει ότι στο κέντρο του κρύβεται μια θαμμένη υπερμεγέθης μαύρη τρύπα. Η διάχυτη εκπομπή αντιπροσωπεύει το 40-60% της συνολικής εκπομπής στο μεσαίο υπέρυθρο, και κυρίως η νηματοειδής εκπομπή πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων (PAH) που διεγείρεται στοχαστικά από υπεριώδη και οπτικά φωτόνια και αντιπροσωπεύει το μισό του φωτός των 7,7 μm του VV 114.

Ο IIZw 096 είναι επίσης ένα αλληλεπιδρών σύστημα δύο γαλαξιών ιδιαίτερα φωτεινών στο υπέρυθρο, στο οποίο προηγούμενες παρατηρήσεις με το διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer έδειξαν ότι το μεγαλύτερο μέρος της συνολικής υπέρυθρης φωτεινότητας του συστήματος προέρχεται από μια μικρή περιοχή έξω από τους δύο πυρήνες. Οι νέες παρατηρήσεις με το JWST/MIRI (Εικόνα 2) επιτρέπουν την ακριβή μέτρηση της θέσης και της επιφανειακή πυκνότητας φωτεινότητας της πηγής που είναι υπεύθυνη για το μεγαλύτερο μέρος της υπέρυθρης εκπομπής. Εκτιμάται ότι το 40-70% της υπέρυθρης φωτεινότητας του γαλαξία, που λάμπει με την ισχύ περίπου 500 δισεκατομμυρίων ήλιων, προέρχεται από μια πηγή με ακτίνα όχι μεγαλύτερη από 570 έτη φωτός, γεγονός που υποδηλώνει μια επιφανειακή πυκνότητα φωτεινότητας κοντά στο μέγιστο όριο που επιτρέπουν οι προβλέψεις ορισμένων θεωρητικών μοντέλων. Επιπλέον, το JWST μας επιτρέπει να εντοπίσουμε άλλες 11 πηγές σχηματισμού αστέρων, πέντε από τις οποίες ήταν προηγουμένως άγνωστες ακόμη και στις παρατηρήσεις με το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble (HST). Τα υπέρυθρα χρώματα του MIRI των περισσότερων από αυτές τις πηγές (βλ. Εικόνα 2), συμπεριλαμβανομένης της πηγής που ευθύνεται για το μεγαλύτερο μέρος της εκπομπής στο μακρινό υπέρυθρο, είναι πολύ πιο κόκκινα από τους πυρήνες των τοπικών LIRGs, γεγονός που υποδηλώνει ότι καλύπτονται από πολύ μεγάλες ποσότητες σκόνης.

Περισσότερα αποτελέσματα του JWST σχετικά με τους γαλαξίες του προγράμματος GOALS είναι διαθέσιμα εδώ.

Άρθρα:

• A.S. Evans, et al. (including V. Charmandaris & T. Diaz Santos), "GOALS-JWST: Hidden Star Formation and Extended PAH Emission in the Luminous Infrared Galaxy VV 114", 2022, ApJ Letters, 940, 8
• H. Inami, et al. (including V. Charmandaris & T. Diaz Santos), "GOALS-JWST: Unveiling the Heavily Dust Obscured Compact Sources in the Merging Galaxy IIZw096", 2022, ApJ Letters, 940, 6