Когда галактики сталкиваются, это похоже на то, как если бы все участники симфонии начали яростное крещендо: когда звезды и газ падают к центру - звездообразование усиливается. В то же время черные дыры галактик наполняются и загораются, выделяя энергию и материал в окружающий газ. Эти «увертюры», которые продолжаются сотни миллионов лет наиболее ярки там, где центры галактик, называемые ядрами, сливаются, и эти области также заполнены пылью. До сих пор инфракрасные наблюдения с высоким разрешением из космоса, способные пробить пыль, были невозможны. Наблюдения космического телескопа NASA Джеймса Уэбба дадут как инфракрасные изображения, так и спектры, которые позволят исследователям добавить невероятные детали к нашему пониманию точной действующей механики.
Группа исследователей во главе с Ли Армусом из Калифорнийского технологического института/IPAC в Пасадене и Аароном Эвансом из Университета Вирджинии и Национальной радиоастрономической обсерватории в Шарлоттсвилле будут изучать центры класса взаимодействующих галактик, известных как сливающиеся светящиеся инфракрасные галактики. «Инструменты Уэбба сделают огромный скачок в наших способностях понять, что происходит в этих галактиках», - объяснил Армус. «Изображения и спектры будут не только в 50-100 раз более чувствительными, чем предыдущие инфракрасные данные, но и значительно четче».
Эти сливающиеся галактики часто представляют собой богатые газом спиральные галактики, что означает, что они все еще образуют звезды до столкновения. Когда они приближаются друг к другу и танцуют изящный «танец», газ в галактиках теряет угловой момент и устремляется к центру. Это вызывает дополнительное звездообразование с ускоренной скоростью, до сотен солнечных масс в год по сравнению с одной или двумя в год, наблюдаемыми в обычных галактиках, образующих звезды, таких как наша. Во время формирования звезд они нагревают окружающую пыль, генерируя огромное количество энергии в инфракрасном свете.
NGC 7469
Инфракрасные инструменты Уэбба с высоким разрешением позволят исследователям впервые определить центральные области звездообразования. «Мы стремимся наблюдать области размером от 150 до 300 световых лет в поперечнике», - сказал Эванс. «Для контекста, эти галактики простираются на сотни миллионов световых лет в поперечнике. Уэбб снимет всю пыль и увидит, что происходит в их сердцах».
Отодвигая «пыльный» занавес
Каждая из целей команды является частью гораздо более крупной, рассчитанной на несколько десятилетий программы, известной как GOALS - The Great Observatories All-sky LIRG Survey. Исследовательская группа изучила более 200 сливающихся светящихся инфракрасных галактик по всему электромагнитному спектру, от радио и ультрафиолетового света до видимого и рентгеновского света, создав надежные наборы данных для каждой.
Исследователи тщательно выбрали четыре цели, каждая из которых состоит из двух галактик, чтобы получить гораздо более полное представление об активности, происходящей в этих сливающихся галактиках, путем добавления инфракрасных данных с высоким разрешением. У них есть ряд характеристик, хотя все они отмечены интенсивным звездообразованием или активно питающейся сверхмассивной черной дырой.
Два ядра находятся в центре NGC 3256, но одно в значительной степени скрыто темными полосами пыли, поэтому инфракрасные наблюдения необходимы для полного понимания того, где образуются звезды и где могут находиться черные дыры, а также как они влияют друг на друга. Сильные галактические ветры исходят от обоих ядер, но их свойства в значительной степени неизвестны.
У NGC 7469 есть кольцо звездообразования и центральное яркое активное ядро галактики с джетом. Наблюдения Уэбба помогут исследователям определить, как центральное активное ядро влияет на звездообразование в центре галактики.
Пыль также окутывает одну из двух галактик, составляющих VV 114. Хотя известно, что широко распространенное звездообразование происходит в обеих взаимодействующих галактиках, одна из них ярко светит в инфракрасном, а другая - в ультрафиолетовом свете. Уэбб даст нам самое ясное представление об этой захватывающей и сложной паре слияния.
II Zw 096 уникален среди галактик GOALS, поскольку источник его огромной инфракрасной мощности исходит из очень компактной области, не связанной с ядрами ни одной из сливающихся галактик. Этот объект производит звезды почти в 100 раз быстрее, чем Млечный Путь, но в области менее одной десятитысячной площади. Уэбб продолжит наблюдения этих галактик с помощью бывшего космического телескопа NASA Spitzer, что позволит исследователям проникнуть в пыль и найти погребенную, быстро растущую сверхмассивную черную дыру.
Чтобы раскрыть процессы, вызывающие эти условия, важно определить, где и с какой скоростью образуются звезды, а также измерить, сколько газа в центральных черных дырах аккрецирует с помощью инфракрасных наблюдений Уэбба. «Все эти объекты, включая звезды и черные дыры, конкурируют за ресурсы», - пояснил Армус.
«Черные дыры нуждаются в газе для роста, и по мере роста они становятся энергичными и вызывают отток. В свою очередь, эти оттоки влияют на формирование звезд, нагревая и отталкивая газ. С телескопом Уэбба мы сможем понять, как взаимодействуют все эти процессы ».
Помимо изображений, Уэбб соберет спектры из центров этих четырех сливающихся галактик. «Изображения говорят нам, где находятся объекты, но спектры предоставляют действительно богатую информацию: они говорят вам, что там находится и как оно может двигаться», - сказала соисследователь Вивиан Ю из Калифорнийского университета в Ирвине.
Чтобы понять, что происходит в центрах этих сливающихся галактик, команде нужны как изображения, так и детализированные спектральные карты активных областей вокруг ядер - намного лучше, чем спектры, дающие среднее значение всей наблюдаемой области. Спектрограф Уэбба в ближнем инфракрасном диапазоне (NIRSpec) и его прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI) могут делать именно это, что позволит исследователям впервые измерить не только то, что там есть, но и физические условия в областях звездообразования в ядре. время.
«Пыльные переулки красивы, пока не попытаешься выяснить, что происходит за ними», - продолжил Вивиан Ю. «В ближнем и среднем инфракрасном диапазоне мы начнем видеть сквозь пыль. И, впервые наблюдая за тем, что происходит в малых масштабах, мы узнаем, как газ и пыль влияют на звездообразование и межзвездную среду в этих областях».
Последствия далеко идущих исследований
Хотя теоретические модели слияния галактик демонстрируют, как формируются звезды, в настоящее время они не учитывают точно, как сверхмассивные черные дыры и множество горячих молодых звезд влияют на окружающую их среду или как газ движется внутри слияния галактик. Данные Уэбба должны дать исследователям четкое представление о центрах слияния галактик и сообщить новому поколению моделей, которые будут описывать, как галактики взаимодействуют и сливаются.
В рамках этого исследования команда обновит и предоставит программное обеспечение, сначала написанное для данных космического телескопа Spitzer, чтобы оно соответствовало спектрам Уэбба и сгенерировало карты галактик с различными линиями излучения и цветами. Команда также будет использовать это программное обеспечение, чтобы составить карту динамики газа вокруг ядер и изучить, как истечения формируют их эволюцию.
Помимо помощи ученым, изучающим эти или подобные объекты, программа также продемонстрирует возможности Уэбба в широком спектре научных приложений, помогая другим ученым эффективно и рационально использовать обсерваторию для достижения своих научных целей и предоставить подробный обзор ближайших галактик.
Программа дает время для избранных проектов на ранних этапах миссии телескопа, позволяя исследователям быстро узнать, как лучше всего использовать возможности Уэбба, а также дает надежные научные данные.
Космический телескоп Джеймса Уэбба станет главной в мире космической обсерваторией, запущенной в 2021 году. Уэбб будет разгадывать загадки в нашей Солнечной системе, заглядывать в далекие миры вокруг других звезд и исследовать загадочные структуры и происхождение нашей Вселенной и нашего места в этом огромное мире.
Телескоп Джеймса Уэбба - это международная программа, которую возглавляет NASA вместе со своими партнерами - ESA (Европейское космическое агентство) и Канадское космическое агентство.