Räumliche Variationen der aromatischen Kohlenwasserstoffemission in einem Staub

Natur (2023)Diesen Artikel zitieren

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Dust grains absorb half of the radiation emitted by stars throughout the history of the universe, re-emitting this energy at infrared wavelengths1,=1.2. Nature 458, 737–739 (2009)." href="#ref-CR2" id="ref-link-section-d59258243e1304_1">2,3. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are large organic molecules that trace millimetre-size dust grains and regulate the cooling of interstellar gas within galaxies4,5. Observations of PAH features in very distant galaxies have been difficult owing to the limited sensitivity and wavelength coverage of previous infrared telescopes6, 4 submillimeter galaxy. Astrophys. J. 786, 31 (2014)." href="/articles/s41586-023-05998-6#ref-CR7" id="ref-link-section-d59258243e1321"> 7. Hier präsentieren wir Beobachtungen des James Webb-Weltraumteleskops, die das 3,3-μm-PAH-Merkmal in einer Galaxie entdecken, die weniger als 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall beobachtet wurde. Die hohe äquivalente Breite des PAH-Merkmals weist darauf hin, dass die Sternentstehung und nicht die Akkretion von Schwarzen Löchern die Infrarotemission in der gesamten Galaxie dominiert. Das Licht von PAH-Molekülen, heißem Staub und großen Staubkörnern und Sternen unterscheidet sich räumlich voneinander, was zu größenordnungsmäßigen Schwankungen der PAH-Äquivalentbreite und dem Verhältnis von PAH zur gesamten Infrarotleuchtkraft in der gesamten Galaxie führt. Die von uns beobachteten räumlichen Variationen deuten entweder auf einen physikalischen Versatz zwischen PAKs und großen Staubkörnern oder auf große Variationen im lokalen ultravioletten Strahlungsfeld hin. Unsere Beobachtungen zeigen, dass Unterschiede in der Emission von PAH-Molekülen und großen Staubkörnern ein komplexes Ergebnis lokalisierter Prozesse in frühen Galaxien sind.

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Alle JWST-Daten sind im Mikulski Archive for Space Telescopes (https://archive.stsci.edu/) unter der Programmnummer verfügbar. 1355. Die in dieser Arbeit verwendeten reduzierten JWST-Datenprodukte sind im öffentlichen Datenrepository der TEMPLATES-Kollaboration verfügbar, https://github.com/jwst-templates. In diesem Dokument werden ALMA-Daten unter den Projektcode-Nummern verwendet. 2016.1.01374.S und 2016.1.01499.S, verfügbar im ALMA-Wissenschaftsarchiv (https://almascience.nrao.edu/aq).

JWST- und ALMA-Daten wurden mithilfe der öffentlich verfügbaren Pipeline-Software für beide Observatorien reduziert. Unsere Reduktions- und Analyseskripte für MIRI/MRS-Daten sind im öffentlichen Datenrepository der TEMPLATES-Kollaboration verfügbar, https://github.com/jwst-templates.

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JWST wird vom Space Telescope Science Institute unter der Leitung der Association of Universities for Research in Astronomy, Inc. im Rahmen des NASA-Vertrags Nr. betrieben. NAS 5-03127. ALMA ist eine Partnerschaft von ESO (als Vertreter ihrer Mitgliedsstaaten), NSF (USA) und NINS (Japan), zusammen mit NRC (Kanada), MOST und ASIAA (Taiwan) und KASI (Republik Korea) in Zusammenarbeit mit der Republik Korea Chile. Das gemeinsame ALMA-Observatorium wird von ESO, AUI/NRAO und NAOJ betrieben. Das National Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, die im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung von Associated Universities, Inc. betrieben wird.

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Joaquin D. Vieira

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JSS leitete die Datenanalyse und verfasste den Haupttext. KAP und DL trugen zur Datenanalyse bei. JDTS unterstützte bei der Interpretation der Daten. JRR und JDV trugen zur Verwaltung des TEMPLATES-Programms bei. Alle Autoren haben zur Interpretation der Ergebnisse und Bearbeitung des Textes beigetragen und sind alphabetisch nach KAP geordnet

Korrespondenz mit Justin S. Spilker.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature dankt den anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Jede Spalte zeigt einen 100-Kanal-Durchschnitt aus dem MRS-Datenwürfel, der den oben angegebenen Wellenlängenbereichen entspricht. Die obere Zeile zeigt die ursprünglich von der Pipeline verarbeiteten Daten. Es sind horizontale Streifenmerkmale erkennbar, eine Manifestation der sogenannten „Dusche“-Artefakte in MIRI-Daten. Die mittlere Zeile zeigt den geschätzten zu subtrahierenden Hintergrund, gemittelt über denselben Wellenlängenbereich. Die untere Reihe zeigt das endgültige, vom Hintergrund abgezogene Bild. Die Kreise zeigen den Bereich des Würfels, der während der Hintergrundschätzung aufgrund des Vorhandenseins einer echten Quellenemission von SPT0418-47 maskiert wurde. Alle Bilder haben die gleiche Farbskala. Das 3,3-μm-PAH-Merkmal ist größtenteils im Wellenlängenbereich der dritten Spalte enthalten.

Unter Verwendung zusätzlicher ALMA-Kontinuumsdaten im Ruherahmen von 120 μm berechnen wir die impliziten Änderungen von Tdust unter Standardannahmen über die Form der spektralen Energieverteilung des Staubs. Die 120-μm- und 160-μm-Bilder werden auf einer linearen Min/Max-Farbskala angezeigt, wobei Pixel, die in beiden Bändern mit S/N <5 erkannt wurden, maskiert werden, um ihre qualitative Ähnlichkeit zu demonstrieren. Diese Ähnlichkeit impliziert folglich nur kleine Änderungen in Tdust über die Quelle hinweg. Wir verwenden die aufgelöste Tdust-Karte, um die implizite Korrektur unserer „Standard“-Annahme einer konstanten Umwandlung zwischen LIR und 160 μm Flussdichte abzuschätzen; Das rechte Feld zeigt, dass nur etwa 10 %ige Schwankungen impliziert sind, was in unserer Analyse gegenüber anderen Unsicherheitsquellen untergeordnet ist.

Anhand von Scheindaten mit konstantem LPAH/LIR, die in signalfreie Teile des MRS-Datenwürfels eingefügt werden, testen wir, inwieweit die Schwäche des PAH-Merkmals und die Rauscheigenschaften der MRS-Daten unsere Schlussfolgerung beeinflussen, dass SPT0418-47 große Schwankungen aufweist LPAH/LIR. Punkte zeigen einzelne Pixel aus mehreren Scheinrealisationen, während die schwarze gestrichelte Linie und der grau schattierte Bereich den Median und den 16.–84. Perzentilbereich der Verteilung aller Scheinsimulationen veranschaulichen. Selbst in den schwächsten Regionen wird LPAH/LIR immer noch auf einen Faktor von ≈2 wiederhergestellt und verbessert sich in helleren Regionen auf ±25 %.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Spilker, JS, Phadke, KA, Aravena, M. et al. Räumliche Variationen der Emission aromatischer Kohlenwasserstoffe in einer staubreichen Galaxie. Natur (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05998-6

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Eingegangen: 14. Januar 2023

Angenommen: 21. März 2023

Veröffentlicht: 05. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05998-6

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