NASA’s Webb-telescoop zal quasars gebruiken om geheimen van het vroege universum te onthullen

Quasars zijn extreem heldere, verre, actieve zwarte gaten met een massa van miljoenen tot miljarden keren de massa van de zon. Meestal bevinden ze zich in de centra van sterrenstelsels, ze voeden zich met vallende materie en ontketenen fantastische stromen straling. Een van de helderste dingen in het universum, quasarlicht verlicht gezamenlijk alle sterren in zijn gastmelkweg, en zijn stralen en winden vormen de melkweg waarin het zich bevindt.

Kort na de lancering later dit jaar zal een team van wetenschappers NASA’s James Webb Space Telescope trainen op zes van de meest verre en helderste quasars. Ze zullen de eigenschappen van deze quasars en hun gastheer bestuderen sterrenstelselsen hoe ze met elkaar verbonden waren tijdens de vroege stadia van galactische evolutie in het zeer vroege heelal. Het team zal ook quasars gebruiken om gas in de intergalactische ruimte te onderzoeken, vooral tijdens de kosmische reïonisatieperiode, die eindigde toen het universum nog heel jong was. Ze bereiken dit door gebruik te maken van de extreme gevoeligheid van Webb voor lage niveaus van Licht En zijn prachtige hoekresolutie.

Webb: Een bezoek aan het jonge universum

Terwijl Webb naar de diepten van het universum kijkt, kijkt hij in feite terug in de tijd. licht van deze verre quasars Haar reis naar Webb begon toen het universum nog heel jong was en het duurde miljarden jaren om het te bereiken. We zullen de dingen zien zoals ze lang geleden waren, niet zoals ze nu zijn.

“Al deze quasars die we bestuderen, bestonden al heel vroeg, toen het universum minder dan 800 miljoen jaar oud was, of minder dan 6 procent van zijn huidige leeftijd. Deze waarnemingen geven ons dus de mogelijkheid om de evolutie van sterrenstelsels en de vorming van sterrenstelsels te bestuderen. en evolutie van superzware zwarte gaten,” legde het teamlid uit. Santiago Arribas, onderzoekshoogleraar in de afdeling Astrofysica van het Centrum voor Astrobiologie in Madrid, Spanje “In These Very Early Times.” Arribas is ook lid van Webb’s Near-Infrared Spectrograaf (NIRSpec) Instrument Science Team.

Het licht van deze zeer verre objecten is uitgerekt door de uitdijing van de ruimte. Dit staat bekend als de kosmische roodverschuiving. Hoe verder weg het licht, hoe groter de roodverschuiving. In feite wordt zichtbaar licht uit het vroege heelal zo uitgerekt dat het in infraroodstraling verandert wanneer het ons bereikt. Met een reeks instrumenten die zijn afgestemd op infrarood, is Webb bij uitstek geschikt om dit type licht te bestuderen.

De studie van quasars, sterrenstelsels en hun gastheeromgevingen, en hun krachtige uitstromen

De quasars die het team gaat bestuderen, behoren niet alleen tot de meest afgelegen in het universum, maar ook tot de helderste. Deze quasars hebben meestal de hoogste massa zwarte gaten, en ze hebben ook de hoogste accretiesnelheden – de snelheden waarmee materie in zwarte gaten valt.

“We zijn geïnteresseerd in het observeren van de helderste quasars omdat de zeer hoge hoeveelheid energie die ze in hun kernen genereren, zou moeten leiden tot de grootste impact op gastheer melkwegstelsel Chris Willott, een onderzoekswetenschapper bij het Astronomy and Astrophysics Research Center van de Canadian National Research Council (NRC) in Victoria, British Columbia, zei dat Wilott ook een CSA-website is. project wereld. “We willen deze quasars spotten op het moment dat ze de meeste impact hebben op de gaststerrenstelsels.”

Bij het ophopen van materie door het superzware zwarte gat komt een enorme hoeveelheid energie vrij. Deze energie warmt op en duwt het omringende gas naar buiten, waardoor krachtige uitstromen ontstaan ​​die als een tsunami door de interstellaire ruimte scheuren en verwoesting veroorzaken in het gaststelsel.

Uitstromen spelen een belangrijke rol in de evolutie van sterrenstelsels. Gas voedt stervorming, dus wanneer gas wordt verwijderd als gevolg van uitstroom, neemt de snelheid van stervorming af. In sommige gevallen zijn de uitstromen zo sterk dat ze zulke grote hoeveelheden gas uitstoten dat ze de stervorming in het gaststelsel volledig kunnen stoppen. Wetenschappers geloven ook dat uitstroom het belangrijkste mechanisme is waarmee gas, stof en elementen over grote afstanden binnen de melkweg worden herverdeeld of zelfs in de intergalactische ruimte kunnen worden verdreven – het intergalactische medium. Dit kan leiden tot fundamentele veranderingen in de eigenschappen van zowel het gaststelsel als het intergalactische medium.

Onderzoek naar de eigenschappen van de intergalactische ruimte tijdens het tijdperk van reïonisatie

Meer dan 13 miljard jaar geleden, toen het heelal nog heel jong was, was het landschap verre van duidelijk. Het neutrale gas tussen sterrenstelsels heeft het heelal ondoorzichtig gemaakt voor sommige soorten licht. Gedurende honderden miljoenen jaren is het neutrale gas in het intergalactische medium geladen of geïoniseerd geraakt, waardoor het transparant is geworden voor ultraviolet licht. Deze periode wordt het tijdperk van de reïonisatie genoemd. Maar wat leidde tot de reïonisatie die de “voor de hand liggende” omstandigheden creëerde die tegenwoordig in het grootste deel van het universum worden gedetecteerd? Webb zal de ruimte induiken om meer informatie te verzamelen over deze grote transformatie in de geschiedenis van het universum. De waarnemingen zullen ons helpen het tijdperk van reïonisatie te begrijpen, een van de belangrijkste grenzen in de astrofysica.

Het team zal quasars gebruiken als achtergrondlichtbronnen om het gas tussen ons en de quasar te bestuderen. Dit gas absorbeert quasarlicht op specifieke golflengten. Via een techniek die beeldspectroscopie wordt genoemd, gaan ze op zoek naar absorptielijnen in het interfererende gas. En hoe helderder de quasar, hoe sterker die absorptielijnkenmerken in het spectrum. Door te bepalen of het gas neutraal of geïoniseerd is, leren wetenschappers hoe neutraal het universum is en in hoeverre dit reïonisatieproces op dat specifieke moment plaatsvindt.

“Als je het universum wilt bestuderen, heb je zeer heldere achtergrondbronnen nodig. Een quasar is het ideale ding in het verre universum, omdat het licht genoeg is dat we het heel goed kunnen zien”, zegt teamlid Camilla Pacifici, die is aangesloten bij de Canadian Space Agency, maar werkt als instrumentwetenschapper bij de CSA Space Telescope Science in Baltimore. “We willen studeren” vroeg heelal Omdat het universum evolueert en we willen weten hoe het is begonnen.”

Het team zal het licht van de quasars analyseren met behulp van NIRSpec om te zoeken naar wat astronomen ‘metalen’ noemen, elementen die zwaarder zijn dan waterstof en helium. Deze elementen vormden zich in de eerste sterren en eerste sterrenstelsels en werden verdreven door uitstromen. Het gas beweegt uit de sterrenstelsels waarin het zich oorspronkelijk bevond en in het intergalactische medium. Het team is van plan om de generatie van deze eerste ‘metalen’ te meten, evenals de manier waarop ze door deze vroege uitstroom in het intergalactische medium worden geduwd.

Webkracht

Webb is een zeer gevoelige telescoop die zeer lage lichtniveaus kan detecteren. Dit is belangrijk, want hoewel een bestand quasars Zo helder in wezen, de dingen die dit team zal opmerken behoren tot de meest verre in Universum. In feite zijn ze zo ver weg dat de signalen die Webb zal ontvangen heel, heel laag zijn. Alleen met de opmerkelijke gevoeligheid van Webb kan deze wetenschap worden bereikt. Webb biedt ook een uitstekende hoekresolutie, wat het mogelijk maakt om het licht van de quasar te scheiden van het gaststelsel.

De hier beschreven quasar-programma’s zijn tijdgegarandeerde waarnemingen die de spectrale mogelijkheden van NIRSpec incorporeren.