JWSTs scharfer Blick enthüllt komplexe Details im Gas-Halo von Galaxien
Galaxien sind von einer großen Gaswolke, dem sogenannten zirkumgalaktischen Medium (CGM), umgeben. Aus diesem Medium tanken Galaxien Gas, recyceln es und bilden daraus Sterne, und nehmen an Masse zu. Da dieses Gas extrem schwach leuchtet, sind aktuelle Beobachtungen auf schwer zu interpretierende Spektrallinien beschränkt. Daher ist es schwierig, die Masse, Verteilung und physikalischen Bedingungen im CGM zu verstehen. Kürzlich entdeckte eine Gruppe am MPA mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) zufällig eine helle Sauerstoffemission um eine massereiche Galaxiengruppe im fernen Universum. In Zusammenarbeit mit anderen internationalen Wissenschaftlern und durch die Kombination verschiedener Beobachtungen liefert die Studie einen detaillierten und beispiellosen Einblick in das CGM und zeigt, wie Galaxien das Gas und ihre Umgebung beeinflussen.
Die bekannte Galaxiengruppe SMM J02399-0136 umfasst eine Galaxie, die von einem aktiven supermassiven Schwarzen Loch dominiert wird, eine staubreiche Galaxie, in der sich mit sehr hoher Rate Sterne bilden, und die mit dem Quasar kollidiert, sowie eine irreguläre Satellitengalaxie (siehe Abbildung 1). Sie befindet sich bei einer Rotverschiebung von 2,8 (als das Universum etwa 2,3 Milliarden Jahre alt war) und erscheint durch den Gravitationslinseneffekt in Ost-West-Richtung verzerrt.Ursprünglich aufgrund ihrer hohen Sternentstehungsaktivität entdeckt, deuten spätere Studien auf ein großes Reservoir an kühlem Gas in atomarer oder molekularer Form in ihrem CGM hin.
Die neuen JWST-Beobachtungen bieten einen der schärfsten und tiefsten Einblicke in das CGM-Gas. Insbesondere gibt es eine starke Sauerstoffemission ( [O III] λ 4959, 5007 Å), die sich über mindestens 100 kpc (300.000 Lichtjahre) erstreckt. Die Verteilung des Sauerstoffs stimmt gut mit der des Wasserstoffs überein, wie sie durch frühere Lyman-Alpha-Beobachtungen ermittelt wurde. Neben seiner enormen Ausdehnung zeigt das Bild auch eine detaillierte, filamentartige Struktur des CGM-Gases, die nur mit dem JWST aufgelöst werden konnte (siehe vergrößerte Bilder in Abbildung 2).
Die Emissionslinie von doppelt ionisiertem Sauerstoff liefert wichtige Informationen. Die helle Emission deutet darauf hin, dass das CGM dichteres und wärmeres Gas enthält als bisher angenommen. Jedes dieser langen und schmalen Filamente enthält eine beträchtliche Masse an Gas – etwa eine Milliarde Mal so viel wie die Masse der Sonne – und ist vollständig ionisiert. Darüber hinaus deuten die im Vergleich zu Wasserstoff großen Mengen an Sauerstoff, der nur in Sternen und Supernovae entsteht, darauf hin, dass das CGM durch aus Galaxien ausgestoßenes Gas chemisch angereichert ist.
(a) Vergrößerte Ansicht der zerstörten Satellitengalaxie links vom Quasar. Der relativistische Jet aus dem Quasar (blau) zerstört die Galaxie und entzieht ihr Gas. Der aufgehellte Bereich zeigt, wo der Jet mit dem Gas interagiert. Das zuvor weggeblasene Gas ist als Filamente weiter außen zu sehen.
(b) Eine ausgeprägte, wolkenartige Struktur deutet auf einen starken Ausfluss aus dem Quasar hin. Vereinzelte Überreste früherer Ausflüsse erstrecken sich weit nach rechts.
(c) Ein langer Gasstrom, der möglicherweise aus einem Zufluss stammt.
(d) Die „wellenförmige” Struktur, die aus drei parallelen Streifen besteht, deutet auf episodische Aktivitäten des Schwarzen Lochs und deren Rückkopplungseffekte in der Vergangenheit hin.
Die hellen Filamente stehen in starkem Kontrast zu den „Nebelbildern” früherer Studien. Die hochauflösenden Bilder zeigen, dass das Gas im CGM nicht gleichmäßig verteilt ist, sondern in langen, schmalen Filamenten vorliegt. Morphologie, Verteilung und Sauerstoffhäufigkeit deuten alle auf frühere Rückkopplungen bei Aktivitäten der Galaxien hin. Dabei wurden Masse, Energie und schwere Elemente in das CGM-Gas eingespeist. Die Wechselwirkung zwischen dem Quasar-Jet und der benachbarten Galaxie ist ein weiteres eindrucksvolles Beispiel dafür, wie massereiche Galaxien ihre Umgebung beeinflussen können. Diese hochauflösenden Bilder stellen auch numerische Simulationen vor Herausforderungen, da diese die äußerst komplexen Strukturen dieser Galaxiengruppe erklären und reproduzieren müssen.
Die Studie zeigt, wie die CGM-Forschung die beispiellose Auflösung und Empfindlichkeit des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) sowie die Nützlichkeit von Sauerstofflinien für die Interpretation der physikalischen Bedingungen des Gases nutzen kann. Die Forschungsgruppe arbeitet derzeit an zusätzlichen Daten in mehreren Wellenlängen, um ein umfassendes Verständnis der verschiedenen Gasformen im CGM zu erlangen.
