Variations spatiales de l'émission d'hydrocarbures aromatiques dans une poussière

Nature (2023)Citer cet article

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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-d50425032e1304_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-d50425032e1321"> 7. Nous présentons ici les observations du télescope spatial James Webb qui détectent la caractéristique PAH de 3,3 μm dans une galaxie observée moins de 1,5 milliard d'années après le Big Bang. La largeur équivalente élevée de la fonction PAH indique que la formation d'étoiles, plutôt que l'accrétion de trous noirs, domine l'émission infrarouge dans toute la galaxie. La lumière des molécules de PAH, de la poussière chaude et des gros grains de poussière et des étoiles sont spatialement distinctes les unes des autres, ce qui entraîne des variations d'ordre de grandeur de la largeur équivalente des PAH et du rapport des PAH à la luminosité infrarouge totale à travers la galaxie. Les variations spatiales que nous observons suggèrent soit un décalage physique entre les HAP et les gros grains de poussière, soit de fortes variations du champ de rayonnement ultraviolet local. Nos observations démontrent que les différences d'émission des molécules de HAP et des gros grains de poussière sont le résultat complexe de processus localisés au sein des premières galaxies.

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Dole, H. et al. Le fond infrarouge cosmique résolu par Spitzer : contributions des galaxies infrarouge moyen au fond infrarouge lointain. Astre. Astrophyse. 451, 417–429 (2006).

Article ADS CAS Google Scholar

Devlin, MJ et al. Plus de la moitié de la lumière de fond dans l'infrarouge lointain provient de galaxies à z>=1,2. Nature 458, 737–739 (2009).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Zavala, JA et al. L'évolution de la fonction de luminosité IR et de la formation d'étoiles obscurcies par la poussière au cours des 13 derniers milliards d'années. Astrophyse. J. 909, 165 (2021).

Annonces d'article Google Scholar

Kwok, S. & Zhang, Y. Nanoparticules organiques mixtes aromatiques-aliphatiques en tant que porteurs de caractéristiques d'émission infrarouge non identifiées. Nature 479, 80–83 (2011).

Article ADS PubMed Google Scholar

Rigopoulou, D. et al. Les propriétés des hydrocarbures aromatiques polycycliques dans les galaxies : contraintes sur la taille, la charge et les champs de rayonnement des HAP. Lun. Pas. R.Astron. Soc. 504, 5287–5300 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Li, perspective d'A. Spitzer sur les hydrocarbures aromatiques polycycliques dans les galaxies. Nat. Astre. 4, 339–351 (2020).

Annonces d'article Google Scholar

Riechers, DA et al. Hydrocarbure aromatique polycyclique et émission continue dans l'infrarouge moyen dans une galaxie submillimétrique z > 4. Astrophyse. J. 786, 31 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Carlstrom, JE et al. Le télescope de 10 mètres du pôle Sud. Publ. Astre. Soc. Pac. 123, 568 (2011).

Annonces d'article Google Scholar

Everett, WB et al. Sources ponctuelles à ondes millimétriques de l'enquête SPT-SZ à 2 500 degrés carrés : catalogue et statistiques démographiques. Astrophyse. J. 900, 55 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Weiß, A. et al. Décalages vers le rouge ALMA de galaxies sélectionnées au millimètre du SPT Survey : la distribution du décalage vers le rouge des galaxies poussiéreuses formant des étoiles. Astrophyse. J.767, 88 (2013).

Annonces d'article Google Scholar

Spilker, JS et al. Imagerie ALMA et modèles de lentilles gravitationnelles du télescope du pôle Sud - sélection de galaxies poussiéreuses formant des étoiles à des décalages vers le rouge élevés. Astrophyse. J. 826, 112 (2016).

Annonces d'article Google Scholar

Spilker, JS et al. Sorties moléculaires omniprésentes dans z > 4 galaxies massives et poussiéreuses. I. Aperçu de l'échantillon et structure agglomérée dans les sorties moléculaires à l'échelle de 500 pc. Astrophyse. J. 905, 85 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Rizzo, F. et al. Une galaxie à disque dynamiquement froid dans l'Univers primordial. Nature 584, 201-204 (2020).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Peng, B. et al. Découverte d'un compagnon poussiéreux et chimiquement mature d'une galaxie starburst z ~ 4 dans les données JWST ERS. Astrophyse. J. 944, L36 (2023).

Annonces d'article Google Scholar

De Breuck, C. et al. Un ISM de métallicité solaire dense dans la galaxie stellaire poussiéreuse z = 4,2 SPT0418-47. Astre. Astrophyse. 631, A167 (2019).

Article Google Scholar

Spilker, JS et al. Sorties moléculaires omniprésentes dans z > 4 galaxies massives et poussiéreuses. II. Vents entraînés par l'élan et alimentés par la formation d'étoiles dans l'Univers primordial. Astrophyse. J. 905, 86 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Draine, BT et al. Excitation de l'émission d'hydrocarbures aromatiques polycycliques : dépendance à la distribution de taille, à l'ionisation et au spectre et à l'intensité de la lumière des étoiles. Astrophyse. J. 917, 3 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Schutte, WA, Tielens, AGGM & Allamandola, LJ Modélisation théorique de la fluorescence infrarouge des hydrocarbures aromatiques polycycliques interstellaires. Astrophyse. J. 415, 397 (1993).

Annonces d'article Google Scholar

Joblin, C., Tielens, AGGM, Allamandola, LJ & Geballe, TR Variation spatiale des bandes d'émission de 3,29 et 3,40 microns dans les nébuleuses de réflexion et évolution photochimique des hydrocarbures aromatiques polycycliques méthylés. Astrophyse. J. 458, 610 (1996).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Barker, JR, Allamandola, LJ & Tielens, AGGM L'anharmonicité et le spectre d'émission infrarouge des hydrocarbures aromatiques polycycliques interstellaires. Astrophyse. J. 315, L61 (1987).

Article ADS CAS Google Scholar

Maltseva, E. et al. Spectroscopie d'absorption IR haute résolution des hydrocarbures aromatiques polycycliques dans la région de 3 μm : rôle de l'hydrogénation et de l'alkylation. Astre. Astrophyse. 610, A65 (2018).

Article Google Scholar

Imanishi, M., T. Nakagawa, M. Shirahata, Y. Ohyama & Onaka, T. AKARI Spectroscopie infrarouge IRC 2,5-5 μm d'un large échantillon de galaxies infrarouges lumineuses. Astrophyse. J. 721, 1233-1261 (2010).

Article ADS CAS Google Scholar

Rich, J. et al. OBJECTIFS-JWST : tirer le rideau sur l'AGN et la formation d'étoiles dans VV 114. Astrophys. J. 944, L50 (2023).

Annonces d'article Google Scholar

Yamada, R. et al. Une relation de la caractéristique PAH 3,3 μm avec l'activité de formation d'étoiles pour les galaxies avec une large gamme de luminosité infrarouge. Publ. Astre. Soc. Japon. 65, 103 (2013).

Annonces d'article Google Scholar

Inami, H. et al. Les spectres AKARI 2,5-5 microns des galaxies infrarouges lumineuses dans l'Univers local. Astre. Astrophyse. 617, A130 (2018).

Article Google Scholar

Sajina, A. et al. Détections de glace d'eau, d'hydrocarbures et de HAP 3,3 μm dans z ~ 2 ULIRG. Astrophyse. J. 703, 270-284 (2009).

Article ADS CAS Google Scholar

Siana, B. et al. Détection de l'émission d'hydrocarbures aromatiques polycycliques et dans l'infrarouge lointain par l'œil cosmique : sonder la poussière et la formation d'étoiles des galaxies de Lyman. Astrophyse. J. 698, 1273-1281 (2009).

Article ADS CAS Google Scholar

Smith, JDT et al. Le spectre infrarouge moyen des galaxies en formation d'étoiles : propriétés globales de l'émission d'hydrocarbures aromatiques polycycliques. Astrophyse. J. 656, 770–791 (2007).

Article ADS CAS Google Scholar

Lai, TSY, Smith, JDT, Baba, S., Spoon, HWW & Imanishi, M. Tous les HAP : une étude spectroscopique croisée AKARI-Spitzer sur l'émission aromatique dans les galaxies. Astrophyse. J. 905, 55 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Chabrier, G. Fonction de masse initiale stellaire et sous-stellaire galactique. Publ. Astre. Soc. Pac. 115, 763–795 (2003).

Annonces d'article Google Scholar

Jakobsen, P. et al. Le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) sur le télescope spatial James Webb : I. Présentation de l'instrument et de ses capacités. Astre. Astrophyse. 661, A80 (2022).

Article CAS Google Scholar

Boker, T. et al. Le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) sur le télescope spatial James Webb : III. Spectroscopie de champ intégral. Astre. Astrophyse. 661, A82 (2022).

Article Google Scholar

Rieke, GH et al. L'instrument infrarouge moyen du télescope spatial James Webb, I : introduction. Publ. Astre. Soc. Pac. 127, 584 (2015).

Annonces d'article Google Scholar

Wells, M. et al. L'instrument infrarouge moyen du télescope spatial James Webb, VI : le spectromètre à moyenne résolution. Publ. Astre. Soc. Pac. 127, 646 (2015).

Annonces d'article Google Scholar

Labiano, A. et al. Étalonnage de la longueur d'onde et pouvoir de résolution du spectromètre à moyenne résolution JWST MIRI. Astre. Astrophyse. 656, A57 (2021).

Article CAS Google Scholar

Modèles JWST. GitHub https://github.com/jwst-templates.

Reuter, C. et al. La distribution complète du décalage vers le rouge des galaxies poussiéreuses formant des étoiles du SPT-SZ Survey. Astrophyse. J.902, 78 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

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Département de physique et d'astronomie et George P. et Cynthia Woods Mitchell Institute for Fundamental Physics and Astronomy, Texas A&M University, College Station, TX, États-Unis

Justin S. Spilker, Jack E. Birkin et Grace M. Olivier

Département d'astronomie, Université de l'Illinois, Urbana, Illinois, États-Unis

Kedar A. Phadke, Melanie Archipley, Seonwoo Kim, Cassie Reuter, Joaquin D. Vieira et David Vizgan

Center for AstroPhysical Surveys, National Center for Supercomputing Applications, Urbana, Illinois, États-Unis

Kedar A. Phadke, Melanie Archipley, Cassie Reuter et Joaquin D. Vieira

Noyau d'astronomie de la Faculté d'ingénierie et des sciences, Universidad Diego Portales, Santiago, Chili

Manuel Aravena & Manuel Solimano

Département de physique, Université de Cincinnati, Cincinnati, OH, États-Unis

Matthew B. Bayliss, Keunho J. Kim et Alex Navarre

Aix Marseille Univ., CNRS, CNES, LAM, Marseille, France

Matthieu Béthermin & Gayathri Gururajan

Département de physique et d'astronomie, Université de la Colombie-Britannique, Vancouver, Colombie-Britannique, Canada

James Burgoyne, Scott C. Chapman et Ryley Hill

Département d'astronomie, Université de Floride, Gainesville, Floride, États-Unis

Jared Cathey, Anthony H. Gonzalez et Desika Narayanan

Conseil national de recherches, Herzberg Astronomy and Astrophysics, Victoria, Colombie-Britannique, Canada

Scott C. Chapman

Département de physique et des sciences atmosphériques, Université Dalhousie, Halifax, Nouvelle-Écosse, Canada

Scott C. Chapman

Institut d'astrophysique théorique, Université d'Oslo, Oslo, Norvège

Hakon Dahle

Département de physique et d'astronomie 'Augusto Righi', Université de Bologne, Bologne, Italie

Gayatri Gururajan

INAF – Observatoire d'Astrophysique et des Sciences Spatiales, Bologne, Italie

Gayatri Gururajan

Centre d'astrophysique computationnelle, Flatiron Institute, New York, NY, États-Unis

Christopher C. Hayward, Yashar D. Hezaveh et Ronan Legin

Département de Physique, Université de Montréal, Montreal, Quebec, Canada

Yashar D. Hezaveh et Ronan Legin

Ciela – Institut d'analyse de données astrophysiques et d'apprentissage automatique de Montréal, Montréal, Québec, Canada

Yashar D. Hezaveh et Ronan Legin

Mila – Institut québécois d'intelligence artificielle, Montréal, Québec, Canada

Yashar D. Hezaveh et Ronan Legin

Laboratoire de cosmologie observationnelle, NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD, États-Unis

Taylor A. Hutchison, Jane R. Rigby et James E. Rhoads

Space Telescope Science Institute, Baltimore, MD, États-Unis

Loi de David

Département de physique et d'astronomie, Université de Californie, Los Angeles, Californie, États-Unis

Matthieu A. Malkan

Steward Observatory, Université d'Arizona, Tucson, AZ, États-Unis

Daniel P.Brown

Observatoire national de radioastronomie, Charlottesville, Virginie, États-Unis

Eric J.Murphy

Institut d'informatique de l'Université de Floride, Gainesville, Floride, États-Unis

Desika Narayanan

Cosmic Dawn Center, DTU Space, Université technique du Danemark, Kongens Lyngby, Danemark

Desika Narayanan et Katherine E. Whitaker

Les observatoires de la Carnegie Institution for Science, Pasadena, Californie, États-Unis

Jeffrey A. Rich

Département d'astronomie, Université du Michigan, Ann Arbor, MI, États-Unis

Keren Sharon

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JDT Smith

Institut Max Planck de radioastronomie, Bonn, Allemagne

Nikolaus Sulzenauer et Axel Weiss

Département de physique, Université de l'Illinois, Urbana, Illinois, États-Unis

Joaquin D. Vieira

Département d'astronomie, Université du Massachusetts, Amherst, MA, États-Unis

Katherine E. Whitaker

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JSS a dirigé l'analyse des données et rédigé le texte principal. KAP et DL ont contribué à l'analyse des données. JDTS a aidé à l'interprétation des données. JRR et JDV ont contribué à la gestion du programme TEMPLATES. Tous les auteurs ont contribué à l'interprétation des résultats et à l'édition du texte, et sont classés par ordre alphabétique après KAP

Correspondance avec Justin S. Spilker.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature remercie les relecteurs anonymes pour leur contribution à la relecture par les pairs de ce travail. Les rapports des pairs examinateurs sont disponibles.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Chaque colonne montre une moyenne de 100 canaux à partir du cube de données MRS correspondant aux gammes de longueurs d'onde indiquées en haut. La ligne du haut affiche les données d'origine traitées par le pipeline. Les caractéristiques des bandes horizontales sont évidentes, une manifestation des artefacts dits de « douche » dans les données MIRI. La rangée du milieu montre le bruit de fond estimé à soustraire moyenné sur la même gamme de longueurs d'onde. La rangée du bas montre l'image finale sans arrière-plan. Les cercles montrent la région du cube qui a été masquée lors de l'estimation du bruit de fond en raison de la présence d'une source réelle d'émission de SPT0418-47. Toutes les images sont sur la même échelle de couleurs. La caractéristique PAH de 3,3 μm est principalement contenue dans la plage de longueurs d'onde de la troisième colonne.

En utilisant des données supplémentaires sur le continuum ALMA à 120 μm d'image de repos, nous calculons les changements implicites de Tdust sous des hypothèses standard sur la forme de la distribution d'énergie spectrale de la poussière. Les images de 120 μm et 160 μm sont présentées sur une échelle de couleurs linéaire min/max, masquant les pixels détectés à S/N < 5 dans l'une ou l'autre bande, pour démontrer leur similarité qualitative. Cette similarité n'implique par conséquent que de petits changements dans Tdust à travers la source. Nous utilisons la carte Tdust résolue pour estimer la correction implicite de notre hypothèse « par défaut » d'une conversion constante entre le LIR et la densité de flux de 160 μm ; le panneau de droite montre que seules des variations de ≈10 % sont impliquées, sous-dominantes par rapport aux autres sources d'incertitude dans notre analyse.

En utilisant des données fictives avec un LPAH/LIR constant inséré dans des parties sans signal du cube de données MRS, nous testons dans quelle mesure la faiblesse de la caractéristique PAH et les propriétés de bruit des données MRS influencent notre conclusion selon laquelle SPT0418-47 montre de grandes variations de LPAH/LIR. Les points montrent des pixels individuels de plusieurs des réalisations fictives, tandis que la ligne pointillée noire et la région ombragée grise illustrent la médiane et la plage du 16 au 84e centile de la distribution de toutes les simulations fictives. Même dans les régions les plus faibles, LPAH/LIR est toujours récupéré dans un facteur de ≈2, s'améliorant à ± 25 % dans les régions plus lumineuses.

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Réimpressions et autorisations

Spilker, JS, Phadke, KA, Aravena, M. et al. Variations spatiales de l'émission d'hydrocarbures aromatiques dans une galaxie riche en poussières. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05998-6

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Reçu : 14 janvier 2023

Accepté : 21 mars 2023

Publié: 05 juin 2023

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

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