Wenn sich eine Spiralgalaxie genau richtig präsentiert, zeigen Beobachtungen mehr Details. Das ist bei NGC 7469 der Fall, einer Spiralgalaxie, die etwa 220 Millionen Lichtjahre entfernt ist. Es ist uns frontal zugewandt und das James Webb Space Telescope hat sein aufschlussreiches wissenschaftliches Porträt aufgenommen.
NGC 7469 ist aus einer Reihe von Gründen wissenschaftlich interessant und Gegenstand mehrerer neuerer Arbeiten, die auf Beobachtungen des James Webb Space Telescope (JWST) basieren.
Es ist eine leuchtende Infrarotgalaxie (LIRG) mit einem aktiven galaktischen Kern (AGN). Es ist eine Seyfert-Galaxie, die zu den am intensivsten untersuchten Objekten im Universum gehört. Sie ähneln Quasaren, sind aber näher und weniger leuchtend. Astrophysiker glauben, dass sie von der gleichen Quelle wie Quasare angetrieben werden, aber sie sind leichter zu beobachten. NGC 7469 hat einen hellen Kern und ist eine der am besten untersuchten Galaxien ihrer Art. Es hat auch einen Starburst-Ring, der in seine nukleare Region eingebettet ist. Um das Ganze abzurunden, ist es Teil eines Paares interagierender Galaxien, die andere ist die viel kleinere IC 5283. (Das Paar ist im Atlas der besonderen Galaxien auch als Arp 298 bekannt.)
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Dieses beeindruckende Bild des NASA/ESA-Weltraumteleskops Hubble zeigt Arp 298, ein beeindruckendes Paar interagierender Galaxien. Arp 298 – bestehend aus den beiden Galaxien NGC 7469 und IC 5283 – liegt etwa 200 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Pegasus. Bildnachweis: ESA/Hubble & NASA, A. Evans, R. Chandar
Wegen all seiner faszinierenden Eigenschaften und weil er von unserem Standpunkt aus frontal erscheint, haben Astronomen NGC 7469 intensiv studiert. Es macht nur Sinn, dass das JWST, sobald es einsatzbereit ist, auch seine scharfen Infrarotaugen auf die Galaxie richten würde.
Ein aktuelles Beobachtungsprogramm namens GOALS (Great Observatories All-sky LIRG Survey) hat die Galaxie in seine Beobachtungen aufgenommen. GOALS kombiniert Beobachtungen von Galaxien aus mehreren Quellen: Spitzer, Hubble, Chandra, GALEX und jetzt das JWST.
Auf der Website von GOALS heißt es: „Galaxien entwickeln sich durch eine Kombination aus säkularen Prozessen wie Kaltgasakkretion und nicht-säkularen Prozessen wie galaktischen Verschmelzungen, die massive Starbursts und starke AGN auslösen können. JWST wird unser Verständnis der galaktischen Evolution verändern und einen detaillierten Einblick in die Physik der Sternentstehung und des Wachstums schwarzer Löcher in nahen und fernen Galaxien geben.“
Obwohl NGC 7469 gut untersucht ist, erschweren seine kompakte Beschaffenheit und sein Staub sein Verständnis. Aber die Kraft und Sensibilität des JWST überwinden diese Hindernisse. Das Teleskop bringt ein neues Verständnis der Beziehungen zwischen dem zentralen AGN der Galaxie, dem Starburst-Ring und dem gesamten Gas und Staub.
Die neu veröffentlichten Papiere zeigen, wie das JWST unser Verständnis der galaktischen Evolution verändert. Seine Instrumente – MIRI, NIRCam und NIRspec – haben neue Details enthüllt, die den Vorgängern des JWST verborgen waren. Das GOALS-Team fand sehr junge Sternhaufen, die noch nie zuvor gesehen wurden, sowie Taschen mit sehr warmem, turbulentem molekularem Gas. Sie fanden auch direkte Beweise für die Zerstörung kleiner Staubkörner innerhalb weniger hundert Lichtjahre um den Kern herum – was beweist, dass das AGN das umgebende interstellare Medium beeinflusst.
Die Webb enthüllte auch mehr Details über den Ausfluss von molekularem Gas aus der Galaxie. Das Gas ist ionisiert und hochdiffus und verlässt die Galaxie mit etwa 6,4 Millionen km/h (4 Millionen mph).
Während das JWST uns wunderschöne Bilder gegeben hat, die unseren Geist des Staunens inspirieren, sind die Bilder in diesen Studien wissenschaftlicher. Sie werden sie nicht in Kalendern sehen, aber sie werden Ihren neugierigen, inneren Astrophysiker ansprechen.
Die erste der Veröffentlichungen ist „GOALS-JWST: Resolving the Circumnuclear Gas Dynamics in NGC 7469 in the Mid-infrared“. Es wurde in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht, und die Hauptautorin ist Vivian U, ein Assistant Research Astronomer an der University of California Irvine.
Dies ist das erste Mal, dass die Gasdynamik im mittleren Infrarot in der zentralen Region eines LIRG-Kerns so deutlich gesehen wurde. Es ist ein weiteres Beispiel dafür, wie die Kraft des JWST unser Verständnis der Galaxienentwicklung vorantreibt. Die Bilder zeigen deutlich, wie das AGN über Schocks Energie in das dichte interstellare Gas einbringt. Es ist ein Beispiel für AGN-Feedback, ein Thema von großem Interesse für Astrophysiker, die versuchen zu verstehen, wie dieses Feedback das Wachstum und die Entwicklung von Galaxien beeinflusst.
Dieses Bild zeigt die Spiralstruktur von NGC 7469 mit ausgeblendetem Kern. Das weiße Quadrat im Hauptbild wird im oberen rechten Bild erweitert. Da sich dieses Papier auf die Gasdynamik konzentriert, zeigt das obere rechte Bild den Sternentstehungsring um den zentralen Kern. Die weiß konturierte Region zeigt blauverschobenes Gas, das vom AGN auf uns zuströmt. Das Cartoon-Schema zeigt einen fast frontalen Ausfluss, der einseitig und hauptsächlich in Blauverschiebung (blauer Kegel) erscheint. Das schockerhitzte Gas ist das Ergebnis eines Ausflusses, der auf das interstellare Medium der Galaxie trifft, ein Beispiel für AGN-Rückkopplung. Der Cartoon ist nicht maßstabsgetreu; es soll nur eine plausible Interpretation der Beobachtungen zeigen. Bildnachweis: Vivian U et al. 2022 ApJL 940 L5
Das zweite Papier ist „GOALS-JWST: NIRCam and MIRI Imaging of the Circumnuclear Starburst Ring in NGC 7469“. Es wurde bei Astrophysical Journal Letters eingereicht, ist aber unter arxiv.org verfügbar. Hauptautor ist Thomas Bohn vom Hiroshima Astrophysical Science Center der Universität Hiroshima, Japan.
Diese Studie identifizierte 66 Sternentstehungsregionen im Starburst-Ring von NGC 7469, von denen 37 bei früheren Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops nicht identifiziert wurden. Dies sind wahrscheinlich junge Sternpopulationen, die nicht älter als 5 Millionen Jahre sind. Dies zeigt die Fähigkeit des JWST, durch undurchsichtigen Staub zu sehen. „Dank JWST finden wir eine beträchtliche Anzahl junger staubiger Quellen, die zuvor aufgrund des Staubsterbens nicht gesehen wurden“, schreiben die Autoren. „Diese Ergebnisse veranschaulichen die Wirksamkeit von JWST bei der Identifizierung und Charakterisierung zuvor verborgener Sternentstehung in den dichtesten Sternentstehungsumgebungen um AGN.“
Diese Bilder aus der Studie zeigen die Sternentstehungsregionen in vier separaten Filtern, wobei das AGN in jedem ausgeblendet ist. Die cyanfarbenen und roten Markierungen zeigen die Sternentstehungsregionen entsprechend ihrer Fundstelle. DS07 bezieht sich auf eine frühere Studie der Galaxie mit dem Hubble (D’iaz-Santos et al. 2007.) Die unteren Felder zeigen Sternentstehungsregionen vom hellsten (M1) bis zum schwächsten (M11). Bildnachweis: Bohn et al. 2022.
Die neu identifizierten Regionen in dieser Studie sind laut den Autoren tendenziell die rötlichsten und blasssten. Das ist sinnvoll, da das JWST hervorragend darin ist, diese Arten von Objekten zu identifizieren. Die Studienergebnisse weisen darauf hin, dass „… wir mit JWST eine große Anzahl stark verdeckter Quellen entdecken, die zuvor von HST übersehen wurden.“ Das fasst kurz und knapp den Zweck des JWST zusammen.
„Insgesamt entdecken wir 66 Sternentstehungsregionen in NIRCam“, erklären die Autoren. „Dies ist mehr als das Doppelte der 30 Quellen, die zuvor von HST identifiziert wurden.“
Die dritte Studie ist „GOALS-JWST: Tracing AGN Feedback on the Star-Forming ISM in NGC 7469“. Es ist unter arxiv.org verfügbar. Erstautor ist Thomas S.-Y. Lai vom IPAC, California Institute of Technology.
AGN-Feedback ist ein heißes Thema in der Astronomie. Es untersucht, wie ausströmendes Gas aus aktiven Galaxienkernen Energie und Impuls in das interstellare Medium (ISM) einlagert. AGN-Feedback spielt eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Galaxien durch Umverteilung von Gas. Irgendwie entwickeln sich SMBHs und ihre Wirtsgalaxien gemeinsam, und AGN ist miteinander verbunden.
Diese Studie konzentriert sich auf polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs). PAKs sind eine große Klasse organischer Chemikalien, die alle Kohlenstoffatome enthalten. Sie gelten als Bausteine des Lebens, helfen den Astronomen aber auch auf andere Weise. Sie leuchten in Sternentstehungsgebieten und ermöglichen es Astronomen, die Umrisse der Gaswolken zu verfolgen, die Sterne hervorbringen. PAKs können auch die Sternentstehungsrate anzeigen.
Diese Abbildung zeigt Extraktionen der JWST/MIRI-Spektren in dieser Studie. In (a) ist der Starburst-Ring von NGC 7469 aufgelöst und hell in der PAH-Emission. (b) zeigt 17 Spektralregionen, und sie sind signifikant, weil sie unterschiedliche Oberflächenhelligkeiten aus dem Bild in (a) abtasten. (c) zeigt die extrahierten Spektren aus jeder Region in (b). Obwohl streng genommen nicht besonders interessant visuellen Sinn, es zeigt, wie der JWST unser Verständnis von allem vorantreibt, worauf wir ihn richten. Bildnachweis: Lai et al. 2022.
Die Eigenschaften der PAHs in verschiedenen Sternentstehungsregionen werfen Licht auf die AGN-Rückkopplung in NGC 7469. Die Autoren erklären, dass „… das zentrale AGN
Was macht das alles aus? Diese Daten sind zu vorläufig, um zu großen Schlussfolgerungen über das AGN-Feedback zu gelangen. Aber es ist ein Teil des Puzzles, das zukünftige Beobachtungen leiten wird. „Zukünftige Beobachtungen mit JWST werden zweifellos ein großes Licht auf die Bedeutung des Feedbacks von AGN zur Sternentstehung in Galaxien werfen“, schreiben die Autoren.
Das vierte Papier ist „GOALS-JWST: Mid-Infrared Spectroscopy of the Nucleus of NGC 7469“ und wurde bei Astrophysical Journal Letters eingereicht. Es ist auch unter arxiv.org verfügbar. Hauptautor ist Lee Armus vom IPAC, California Institute of Technology. Es konzentriert sich auf den Ausfluss aus den aktiven galaktischen Kernen von NGC 7469.
Die Autoren weisen darauf hin, wie wichtig LIRGs für das Verständnis des Wachstums von Schwarzen Löchern sind. Massive Ausbrüche von Sternentstehung machen den größten Teil der Leuchtkraft von LIRGs aus, aber auch die AGNs tragen dazu bei. Die Beiträge von AGN zur Leuchtkraft der Galaxien sind sehr unterschiedlich, und das wollen Astrophysiker besser verstehen.
Frühere Infrarot-Observatorien wie das Spitzer-Weltraumteleskop waren hilfreich, aber Spitzer war durch seinen kleinen Spiegel eingeschränkt. Wieder einmal erweitert das JWST die Grenzen der Infrarotbeobachtungen. Sein größerer Spiegel und seine höhere Empfindlichkeit zahlen sich aus. „… wir sind jetzt bereit, unser Verständnis von staubigen Sternentstehungsregionen, entstehenden AGN, galaktischen Abflüssen und allen Arten von aktiven Galaxien über einen extrem langen Zeitraum kosmischer Zeit erheblich zu erweitern“, schreiben die Autoren.
Dieses Bild ist eine weitere Ansicht des aktiven galaktischen Kerns und des Starburst-Rings von NGC 7469. Der Ring ist in Dutzende sternbildender Knoten aufgelöst, die mit Staubbahnen und Emissionsregionen durchsetzt sind. Dieses Papier konzentriert sich auf das Spektrum des AGN. Bildnachweis: Armus et al. 2022.
Die Region um AGNs ist komplex und vielschichtig. Die Autoren dieses Papiers nennen es ein „… mehrphasiges
interstellare Medien rund um aktiv akkretierende supermassive Schwarze Löcher“, und sie erwähnen, wie diese MIRI-Bilder, obwohl sie noch früh sind, die mächtige Fähigkeit des JWST hervorheben, die Region zu erforschen.
Das im Vergleich zu früheren IR-Observatorien „… stark gesteigerte Auflösungsvermögen des JWST ermöglicht es erstmals, die Formen der mittleren Infrarotlinien und damit die Dynamik des atomaren und warmen molekularen Gases im Detail zu analysieren.“ Eine ihrer Erkenntnisse ist, dass Gas im Kernwind des AGN blauverschoben ist und sich viel schneller bewegt als gedacht. Vielleicht entgegen der Intuition deutet das größtenteils blauverschobene Gas darauf hin, dass sich der AGN-getriebene Ausfluss von NGC 7469 verlangsamt. Das zeigt, wie komplex die Region ist und warum detaillierte Beobachtungen mit dem JWST der beste Weg sind, um Galaxien, Sternentstehung und das Wachstum von Schwarzen Löchern zu verstehen.
Während die großartigen Bilder des Webb von Strukturen wie den Cosmic Cliffs Schlagzeilen machen und unsere Vorstellungskraft anregen, zeigen diese Studien, wie seine Auflösungskraft und Empfindlichkeit die Wissenschaft vorantreiben.
Das Hauptbild von NGC 7469 ist aus gutem Grund das Webb-Bild des Monats. Die Spiralarme der Galaxie, ihr heller Kern und sogar die Beugungsspitze des Teleskops selbst sind wichtige Zutaten für ein ansprechendes Bild.
Aber wie diese vier frühen Veröffentlichungen zeigen, liefert das JWST neben seinen zugänglicheren Bildern eine Fülle von Daten. Mit einem Preis von über 10 Milliarden US-Dollar ist das wirklich das, worum es bei dem Teleskop geht.
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