Webb odkrywa galaktykę meduzę sprzed 8,5 miliarda lat

W danych z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba zespół kierowany przez naukowców z University of Waterloo zidentyfikował kandydatkę na galaktykę „meduzę”, której światło wyruszyło w podróż około 8,5 miliarda lat temu. Sklasyfikowany przy przesunięciu ku czerwieni z = 1,156 i odkryty podczas obserwacji JWST pola COSMOS, obiekt ten wykazuje długie, przypominające macki strumienie gazu i młodych gwiazd, które są cechą charakterystyczną pobliskich układów typu meduza. Odkrycie, opublikowane jako „JWST Reveals a Candidate Jellyfish Galaxy at z=1.156” w czasopiśmie „The Astrophysical Journal”, przesuwa zjawisko ogołacania środowiskowego znacznie wcześniej w historii kosmosu, niż astronomowie byli w stanie wcześniej potwierdzić.

Odkrycie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba w polu COSMOS

Pole COSMOS — głęboki, uporządkowany skrawek nieba wybrany precyzyjnie dlatego, że oferuje wyraźny widok na słabe, odległe galaktyki — od dawna służy jako poligon doświadczalny dla przeglądów nieba. Naukowcy ponownie przeanalizowali obrazowanie i spektroskopię z JWST dla tego dobrze zbadanego regionu i zidentyfikowali kandydatkę na galaktykę meduzę podczas poszukiwania oznak galaktyk aktywnie przekształcanych przez ich otoczenie. Ponieważ pole COSMOS charakteryzuje się minimalnym zanieczyszczeniem obiektami pierwszego planu i bardzo głębokim pokryciem na wielu długościach fal, czułość Webba w podczerwieni pozwala dostrzec cechy, które są rozciągnięte i zaczerwienione przez odległość kosmologiczną, ale nadal pozostają rozdzielone przestrzennie.

Dr Ian Roberts, stypendysta Banting Postdoctoral Fellow w Waterloo Centre for Astrophysics, opisał znalezisko jako nieoczekiwane: podczas przeglądania zestawu danych zespół zauważył odległą, nieudokumentowaną wcześniej galaktykę o charakterystycznej morfologii — zwartym jądrze z długimi, ciągnącymi się filamentami. Połączenie rozdzielczości JWST w bliskiej podczerwieni i warstwowych danych z pola COSMOS pozwoliło zespołowi zmierzyć przesunięcie ku czerwieni galaktyki i złożyć fizyczny obraz systemu przechodzącego aktywne ogołacanie w gęstym środowisku na wczesnym etapie historii wszechświata.

Czym charakteryzuje się galaktyka meduza?

Galaktyki meduzy to klasa morfologiczna nazwana tak ze względu na ich długie, przypominające macki ogony gazu i nowo powstałych gwiazd, które ciągną się za poruszającą się galaktyką. Ogony te nie pełnią funkcji dekoracyjnej: powstają, gdy galaktyka wpada w gorący, gęsty gaz wypełniający gromady galaktyk. Ciśnienie tego ośrodka wewnątrz gromady działające na gaz międzygwiazdowy galaktyki — proces znany jako ogołacanie ciśnieniem spiętrzenia (ram-pressure stripping) — wymiata materię z galaktyki niczym wiatr rozwiewający krople wody z jadącego samochodu, pozostawiając za sobą wydłużone strumienie, w których gaz ochładza się i zapada, tworząc nowe gwiazdy.

Pobliskie przykłady, obserwowane za pomocą instrumentów takich jak Hubble czy teleskopy naziemne, ujawniają spektakularne węzły formowania się gwiazd w ogonach oraz nagłe przerwanie procesów gwiazdotwórczych w dysku galaktyki. To, co czyni kandydatkę przy z = 1,156 godną uwagi, to fakt, że dowodzi ona, iż te same mechanizmy fizyczne działały, gdy wszechświat był znacznie młodszy, co sugeruje, że środowiska gromad mogły być wrogie dla galaktyk wcześniej, niż przewidywały standardowe modele.

Dowody z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba na wczesne ogołacanie w gromadach

Przed tym odkryciem astronomowie sądzili, że gromady o masie wystarczającej do wywołania silnego ogołacania ciśnieniem spiętrzenia występowały rzadziej w epokach odpowiadających przesunięciu ku czerwieni około 1. Nowa kandydatka wykazuje wyraźne oznaki morfologiczne zgodne z ogołacaniem przy z = 1,156, co odpowiada czasowi podróży światła wynoszącemu około 8,5 miliarda lat. Czas ten przypada na długo przed obecną erą dobrze uformowanych, masywnych gromad i sugeruje, że protogromady lub gęste środowiska zdolne do ogołacania już wtedy aktywnie przekształcały galaktyki.

Implikacje są dwojakie. Po pierwsze, procesy środowiskowe, które wygaszają formowanie się gwiazd i przekształcają bogate w gaz spirale w pasywne galaktyki zamieszkujące gromady, mogły być skuteczne wcześniej i na szerszą skalę, niż przewiduje wiele symulacji. Po drugie, obecność takiej galaktyki dostarcza mechanizmu wyjaśniającego powstanie dużej populacji „martwych” galaktyk spotykanych dziś w gromadach: ogołacanie z gazu przyspiesza koniec formowania się gwiazd, pozostawiając czerwone, spokojne systemy, które dominują w jądrach gromad.

Jak JWST dostrzegł ogony: obrazowanie i kontekst

Przyrządy JWST, zoptymalizowane pod kątem bliskiej i średniej podczerwieni, mają kluczowe znaczenie dla rozdzielenia struktury w odległych galaktykach, których światło widzialne uległo przesunięciu ku czerwieni do zakresu podczerwieni. W praktyce oznacza to, że JWST może obrazować światło gwiazd oraz emisję przetworzoną przez pył, co pozwala ujawnić zarówno zwarte jądro gwiezdne, jak i rozciągnięte, słabe filamenty galaktyki meduzy na odległościach kosmologicznych. Rozległe dane pomocnicze dla pola COSMOS — od map rentgenowskich śledzących gorący gaz wewnątrz gromady po spektroskopię naziemną zapewniającą kontekst środowiskowy — pomagają badaczom zinterpretować, czy galaktyka faktycznie znajduje się w gęstym środowisku, czy jest jedynie rzutowana w jego pobliżu.

Choć publikacja przedstawia obiekt jako silną kandydatkę, a nie bezsporny przypadek, połączenie dowodów morfologicznych i przesunięcia ku czerwieni plasuje go wśród najwcześniejszych przekonujących przykładów galaktyki podlegającej ogołacaniu. Dalsze obserwacje JWST oraz głębokie dane rentgenowskie lub radiowe mogą pomóc potwierdzić obecność otaczającego gorącego ośrodka i dokładniej ustalić dynamikę tego układu.

Dlaczego to odkrycie ma znaczenie dla ewolucji galaktyk

Galaktyki ewoluują poprzez mieszankę procesów wewnętrznych i zewnętrznych. Procesy wewnętrzne — zużycie gazu w procesach gwiazdotwórczych, sprzężenie zwrotne od supernowych i aktywnych jąder — zachodzą niezależnie od otoczenia. Procesy zewnętrzne, takie jak oddziaływania pływowe i ogołacanie ciśnieniem spiętrzenia, zależą od sąsiedztwa. Znalezienie ogołoconych galaktyk przy z ≈ 1,156 zmienia ten bilans: pokazuje, że transformacja napędzana przez środowisko była ważna już wtedy, gdy wszechświat miał około połowy swojego obecnego wieku.

Ta zmiana ma konkretne konsekwencje dla modeli powstawania i wygaszania galaktyk. Symulacje mające na celu odtworzenie obserwowanych populacji galaktyk muszą teraz uwzględniać silniejsze lub wcześniejsze efekty środowiskowe w przynajmniej niektórych regionach. Dla astronomii obserwacyjnej odkrycie to jest dowodem na to, że JWST potrafi rozdzielić wzajemne oddziaływanie galaktyk i ich otoczenia w czasach, które wcześniej były dostępne jedynie jako rozmazane lub zintegrowane sygnały.

Następne kroki: potwierdzenie kandydatki i mapowanie jej sąsiedztwa

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wciąż dostarcza niespodzianek, gdy zespoły badawcze ponownie przetwarzają rozległe pola przeglądowe, takie jak COSMOS, przy użyciu nowej czułości i rozdzielczości. Każdy nowo zidentyfikowany obiekt o wysokim przesunięciu ku czerwieni to nie tylko punkt danych, ale sonda badająca procesy fizyczne kształtujące galaktyki w czasie kosmicznym, a kandydatka na galaktykę meduzę przy z = 1,156 jest jaskrawym przykładem tego, jak głęboki wzrok w podczerwieni zmienia naszą narrację o młodym wszechświecie.

Źródła

• The Astrophysical Journal (praca badawcza: „JWST Reveals a Candidate Jellyfish Galaxy at z=1.156”)
• University of Waterloo (Waterloo Centre for Astrophysics)
• James Webb Space Telescope (obserwacje NASA/ESA/CSA)
• COSMOS (Cosmic Evolution Survey)