Une galaxie expulse des métaux à l'aube de l'Univers
Contexte
Ce travail se situe en marge des études sur les écoulements galactiques et l'enrichissement du milieu intergalactique. Les travaux voisins étudient les absorbeurs métalliques, les vents galactiques et le gaz neutre dans l'Univers primitif, mais presque tous se limitent à des raies d'absorption ou à des spectres unidimensionnels. AEON-z5 se distingue en fournissant une image spatialement résolue des raies d'émission à des échelles allant du milieu interstellaire externe au milieu circumgalactique interne. C'est une occasion rare de voir le processus même d'expulsion des métaux, et non seulement ses conséquences.
Méthodes
Des images profondes de la caméra NIRCam du télescope James Webb ont été utilisées dans huit filtres, ainsi qu'une spectroscopie sans fente dans la bande F444W, qui couvre les raies Hα et [N ii]. La distribution spatiale du gaz a été reconstituée par différence d'images dans les filtres F410M et F444W, qui séparent le continuum et les raies d'émission. La cinématique du noyau a été modélisée en deux dimensions avec trois composantes : un noyau étroit, un flux décalé vers le bleu et une aile large asymétrique. Pour la nébuleuse étendue, le décalage du centroïde de la raie Hα a été mesuré le long de chaque rangée du spectre, en tenant compte du décalage spatial sur l'image directe. De plus, une modélisation de la distribution spectrale d'énergie a été réalisée séparément pour le noyau et la nébuleuse à l'aide du code BEAGLE.
Résultats
Le gaz dans la raie Hα+[N ii] s'étend jusqu'à un rayon projeté supérieur à 4 kiloparsecs, soit 2 à 2,5 fois le rayon effectif de la composante stellaire, dont la masse est d'environ 2×10^10 masses solaires. Le profil central de la raie se décompose en trois composantes : un noyau étroit d'une largeur de 88 km/s, une aile bleue décalée de −288 km/s et un flux rouge asymétrique dominant avec un décalage moyen de +489 km/s et une largeur de 630 km/s. L'aile à grande vitesse atteint 792 km/s, et un possible amas distinct a une vitesse d'environ 2800 km/s. Le rapport [N ii]λ6584/Hα est de 0,49 dans le noyau et de 0,33 dans la nébuleuse, ce qui correspond à des métallicités de 0,98 et 0,76 fois la métallicité solaire selon l'étalonnage AURORA. Même en tenant compte de l'excitation par le noyau actif et des erreurs systématiques, la métallicité reste supérieure à 0,37 fois la métallicité solaire. La modélisation de la distribution spectrale d'énergie donne une luminosité du disque d'accrétion de 4,1×10^45 erg/s, suffisante pour alimenter un écoulement avec une puissance cinétique allant jusqu'à 6,6×10^42 erg/s.
Implications
Contrairement aux travaux voisins qui détectent les métaux en absorption ou ne voient les écoulements que près du noyau, ici, pour la première fois à z>5, l'émission de gaz enrichi est directement suivie à des échelles allant du milieu interstellaire externe au milieu circumgalactique interne. C'est la première vérification de l'hypothèse selon laquelle les noyaux actifs, dès le premier milliard d'années, ont pu mélanger du gaz chimiquement recyclé avec leur environnement. Ce travail montre aussi que la spectroscopie sans fente de NIRCam peut révéler de telles structures étendues sans sélection préalable par quasars.
Développements futurs
Ce sujet pourrait se développer grâce à des relevés systématiques en spectroscopie sans fente pour rechercher des nébuleuses similaires autour de galaxies sans quasars brillants. L'étape suivante consistera à obtenir une spectroscopie intégrale de champ à haute résolution afin de construire une carte de vitesses en deux dimensions et de distinguer la rotation d'un écoulement accéléré. Il sera également important de mesurer la vitesse systémique à partir du gaz froid, par exemple via les raies de l'hydrogène moléculaire ou du carbone, afin d'affiner le point zéro de la cinématique.
Impact
Ces résultats influenceront les modèles de rétroaction des noyaux actifs et les estimations du taux d'enrichissement du milieu intergalactique à l'époque de la réionisation. Ils fourniront également une référence pour l'interprétation des futures observations d'absorbeurs métalliques à grands décalages vers le rouge.
Prochaines étapes
Les prochaines étapes comprennent la confirmation de l'amas à grande vitesse par des observations avec un meilleur rapport signal sur bruit et la recherche de gaz moléculaire froid avec ALMA. Il faudra aussi obtenir des spectres dans d'autres domaines de longueurs d'onde pour vérifier la contribution des ondes de choc et préciser l'état d'ionisation.
Problèmes ouverts clés
Ce travail est directement lié au problème non résolu de l'origine des métaux dans le milieu intergalactique à z>5. Jusqu'à présent, on ne sait pas quelle est la contribution des vents stellaires par rapport à celle des noyaux actifs, ni à quelle vitesse le gaz enrichi quitte les galaxies. AEON-z5 montre que, au moins dans certains systèmes, le noyau actif a pu être le principal vecteur de métaux dès 1,1 milliard d'années après le Big Bang. La question de savoir à quel point de tels objets sont typiques et quelle est leur part dans le budget total des métaux reste ouverte.
La vitesse de l'amas possible, 2800 km/s, est 10 fois supérieure à celle d'une balle. Si un tel amas est réellement lié à la galaxie, il parcourrait la distance de la Terre à la Lune en deux minutes.
Dans le roman de Stanisław Lem « Fiasco », on décrit les tentatives de l'humanité pour établir un contact avec une civilisation cachée derrière de puissantes éjections d'énergie et de matière. AEON-z5 rappelle que même des galaxies isolées peuvent éjecter de la matière sur d'énormes distances, créant des structures que nous commençons tout juste à discerner.
Chiffres clés
- vitesse de l'aile à grande vitesse: 792 km/s
- amas possible: 2800 km/s
- extension de l'émission: >4 kpc
- métallicité de la nébuleuse: 0,76 fois la métallicité solaire
- luminosité du disque d'accrétion: 4,1×1045 erg/s