Telescopul Webb al NASA se va uita înapoi în timp, folosind quasare pentru a dezvălui secretele universului timpuriu الكون

Quasarele sunt găuri negre extrem de luminoase, îndepărtate, active, cu o masă de milioane până la miliarde de ori mai mare decât masa Soarelui. Situate de obicei în centrele galaxiilor, ele se hrănesc cu materie în cădere și dezlănțuie torente fantastice de radiații. Printre cele mai strălucitoare lucruri din univers, lumina quasar luminează colectiv toate stelele din galaxia sa gazdă, iar jeturile și vânturile sale modelează galaxia în care se află.

La scurt timp după lansarea sa la sfârșitul acestui an, o echipă de oameni de știință va antrena telescopul spațial James Webb al NASA pe șase dintre cele mai îndepărtate și mai strălucitoare quasare. Ei vor studia proprietățile acestor quasare și ale galaxiilor lor gazdă și modul în care acestea sunt interconectate în primele etape ale evoluției galactice în universul foarte timpuriu. Echipa va folosi, de asemenea, quasarele pentru a examina gazul din spațiul intergalactic, în special în perioada de reionizare cosmică, care sa încheiat când universul era foarte tânăr. Vor realiza acest lucru cu sensibilitatea extremă a lui Webb la niveluri scăzute de lumină și rezoluția impresionantă a unghiului.

(Faceți clic pe imagine pentru a vedea diagrama completă.) În urmă cu peste 13 miliarde de ani, în timpul reionizării, universul era un loc complet diferit. Gazul intergalactic era prea opac pentru lumina energetică, făcând galaxiile tinere greu de observat. Ce a permis universului să devină complet ionizat sau transparent, ceea ce a dus în cele din urmă la condițiile „evidente” detectate în cea mai mare parte a universului de astăzi? Telescopul spațial James Webb va aprofunda spațiul pentru a aduna mai multe informații despre lucrurile care au existat în timpul reionizării pentru a ne ajuta să înțelegem această schimbare majoră din istoria universului. Credit: NASA, ESA și J.Kang (STScI)

Webb: Vizitarea tânărului univers

Pe măsură ce Webb privește adâncurile universului, el va privi de fapt în timp. Lumina din aceste quasare îndepărtate și-a început călătoria către Webb când universul era foarte tânăr și a trebuit să ajungă miliarde de ani. Vom vedea lucrurile așa cum au fost demult, nu așa cum sunt astăzi.

„Toate aceste quasare pe care le studiem au existat foarte devreme, când universul avea mai puțin de 800 de milioane de ani sau mai puțin de 6% din vârsta sa actuală. Deci, aceste observații ne oferă posibilitatea de a studia evoluția galaxiilor și formarea și evoluția găurilor negre supermasive în aceste timpuri timpurii. Foarte mult „, a explicat membrul echipei Santiago Arribas, profesor de cercetare în cadrul Departamentului de astrofizică al Centrului de Astrobiologie din Madrid, Spania. Arribas este, de asemenea, membru al echipei de știință a instrumentelor pentru spectrograf aproape-infraroșu (NIRSpec) de la Webb.

(Faceți clic pe imagine pentru a vedea diagrama completă.) Universul se extinde și această expansiune întinde lumina care călătorește prin spațiu într-un fenomen cunoscut sub numele de redshift cosmic. Cu cât este mai mare schimbarea la roșu, cu atât este mai mare distanța parcursă de lumină. Ca urmare, telescoapele echipate cu detectoare cu infraroșu sunt necesare pentru a vedea lumina din prima și cea mai îndepărtată galaxie. Credit: NASA, ESA și L. Hustak (STSci)

Lumina de la aceste obiecte foarte îndepărtate a fost întinsă datorită expansiunii spațiului. Aceasta este cunoscută sub numele de redshift cosmic. Cu cât lumina este mai îndepărtată, cu atât schimbarea la roșu este mai mare. De fapt, lumina vizibilă din universul timpuriu este întinsă atât de mult încât se transformă în radiații infraroșii când ajunge la noi. Cu o serie de instrumente reglate în infraroșu, Webb este potrivit în mod unic pentru studierea acestui tip de lumină.

Studiul quasarurilor, galaxiilor lor, mediului lor gazdă și fluxurilor lor puternice

Cvasarele pe care echipa le va studia nu sunt doar printre cele mai îndepărtate din univers, ci și dintre cele mai strălucitoare. Acești quasari au, de obicei, cea mai mare masă de găuri negre și au, de asemenea, cele mai mari rate de acumulare – ratele la care materialul cade în găurile negre.

„Suntem interesați să observăm cele mai strălucitoare quasare, deoarece cantitatea foarte mare de energie pe care o generează în nucleele lor ar trebui să ducă la cel mai mare impact asupra galaxiei gazdă prin mecanisme precum fluxul quasar și încălzirea”, a spus Chris. Willott, cercetător la Centrul de Cercetări Astronomice și Astrofizice Herzberg al Consiliului Național de Cercetare (NRC) al Canadei din Victoria, Columbia Britanică. Willott este, de asemenea, om de știință al proiectului Webb al CSA. „Vrem să observăm aceste quasare în momentul în care au cel mai mare impact asupra galaxiilor gazdă”.

O cantitate imensă de energie este eliberată atunci când materia se acumulează prin gaura neagră supermasivă. Această energie se încălzește și împinge gazul înconjurător spre exterior, generând fluxuri puternice care străpung spațiul interstelar ca un tsunami, provocând ravagii în galaxia gazdă.

Urmăriți cum jeturile și vânturile dintr-o gaură neagră supermasivă afectează galaxia gazdă – și spațiu la sute de mii de ani-lumină distanță de-a lungul a milioane de ani. Credit: NASA, ESA și L. Hustak (STScI)

Ieșirile joacă un rol important în evoluția galaxiilor. Gazul alimentează formarea stelelor, deci atunci când gazul este îndepărtat din cauza fluxurilor, rata de formare a stelelor scade. În unele cazuri, fluxurile sunt atât de puternice încât expulză cantități atât de mari de gaz încât pot opri complet formarea de stele în galaxia gazdă. Oamenii de știință cred, de asemenea, că fluxurile de ieșiri sunt principalul mecanism prin care gazul, praful și elementele sunt redistribuite pe distanțe mari în interiorul galaxiei sau chiar pot fi expulzate în spațiul intergalactic – mediul intergalactic. Acest lucru ar putea declanșa modificări fundamentale atât în ​​proprietățile galaxiei gazdă, cât și ale mediului intergalactic.

Examinarea proprietăților spațiului intergalactic în timpul reionizării

Cu mai bine de 13 miliarde de ani în urmă, când universul era foarte tânăr, peisajul era departe de a fi clar. Gazul neutru dintre galaxii a făcut universul opac pentru unele tipuri de lumină. De-a lungul a sute de milioane de ani, gazul neutru din mediul intergalactic a devenit încărcat sau ionizat, făcându-l transparent la lumina ultravioletă. Această perioadă se numește era reionizării. Dar ce a dus la reionizarea care a creat condițiile „evidente” care sunt detectate astăzi în majoritatea universului? Webb va pătrunde în spațiu pentru a aduna mai multe informații despre această transformare majoră din istoria universului. Observațiile ne vor ajuta să înțelegem era reionizării, una dintre frontierele majore ale astrofizicii.

Echipa va folosi quasarele ca surse de lumină de fundal pentru a studia gazul dintre noi și quasar. Acest gaz absoarbe lumina quasar la lungimi de undă specifice. Printr-o tehnică numită spectroscopie imagistică, ei vor căuta linii de absorbție în gazul care interferează. Și cu cât este mai luminos quasarul, cu atât acele linii de absorbție sunt mai puternice în spectru. Determinând dacă gazul este neutru sau ionizat, oamenii de știință vor afla cât de neutru este universul și cât de mult are loc acest proces de reionizare în acel moment special.

Telescopul spațial James Webb va utiliza un instrument inovator numit Unitate de teren integrată (IFU) pentru a captura imagini și spectre în același timp. Acest videoclip oferă o prezentare generală de bază a modului în care funcționează IFU. Credit: NASA, ESA, CSA și L. Hustak (STScI)

„Dacă doriți să studiați universul, aveți nevoie de surse de fundal foarte strălucitoare. Un quasar este lucrul perfect în universul îndepărtat, deoarece este suficient de luminos”, a declarat membru al echipei Camilla Pacifici, care este afiliată la Agenția Spațială Canadiană, dar lucrează ca un om de știință instrument la Space Telescope Science Institute. Deci, putem să o vedem foarte bine. La Baltimore. „Vrem să studiem universul timpuriu, deoarece universul evoluează și vrem să știm cum a început.”

Echipa va analiza lumina care vine din quasare folosind NIRSpec pentru a căuta ceea ce astronomii numesc „metale”, elemente mai grele decât hidrogenul și heliul. Aceste elemente s-au format în primele stele și în primele galaxii și au fost expulzate de fluxuri. Gazul se deplasează în afara galaxiilor în care a fost localizat inițial și în mediul intergalactic. Echipa intenționează să măsoare generația acestor prime „metale”, precum și modul în care acestea sunt împinse în mediul intergalactic de aceste ieșiri timpurii.

Puterea web

Webb este un telescop extrem de sensibil capabil să detecteze niveluri foarte scăzute de lumină. Acest lucru este semnificativ, deoarece deși quasarii sunt intrinsec foarte luminoși, cei pe care această echipă îi va observa se numără printre cele mai îndepărtate obiecte din univers. De fapt, sunt atât de departe încât semnalele pe care Webb le va primi sunt foarte, foarte scăzute. Numai cu sensibilitatea remarcabilă a lui Webb se poate realiza această știință. Webb oferă, de asemenea, o rezoluție unghiulară excelentă, ceea ce face posibilă separarea luminii quasarului de galaxia gazdă.

Programele quasar descrise aici sunt Note de timp garantate implicând capacitățile spectrale ale NIRSpec.

Telescopul spațial James Webb va fi primul observator al științei spațiale din lume când va fi lansat în 2021. Webb va rezolva misterele sistemului nostru solar, va privi dincolo de lumile îndepărtate din jurul altor stele și va cerceta structurile și originile misterioase ale universului și locul nostru în el. Webb este un program internațional condus de NASA cu partenerii săi ESA (Agenția Spațială Europeană) și Agenția Spațială Canadiană.