Kigger ind i en støvet kerne af galakser for at studere et aktivt supermassivt sort hul

Forskere, der bruger NASAs kommende James Webb-rumteleskop, vil kortlægge og modellere kernen af ​​den nærliggende galakse Centaurus A.

Centaurus A er en gigant af en galakse, men dets optrædener i teleskopobservationer kan bedrage. Mørke støvbaner og unge blå stjernehobe, som krydser dens centrale region, er tydelige i ultraviolet, synlig, og nær-infrarødt lys, maler et ret afdæmpet landskab. Men ved at skifte til røntgen- og radiolysvisninger, en langt mere hæsblæsende scene begynder at udspille sig:Fra kernen af ​​den misformede elliptiske galakse, spektakulære stråler af materiale er brudt ud fra dets aktive supermassive sorte hul - kendt som en aktiv galaktisk kerne - og har sendt materiale ud i rummet langt ud over galaksens grænser.

Hvad, præcis, sker der i sin kerne for at forårsage al denne aktivitet? Kommende observationer ledet af Nora Lützgendorf og Macarena García Marín fra den europæiske rumfartsorganisation ved hjælp af NASAs James Webb-rumteleskop vil give forskere mulighed for at kigge gennem dens støvede kerne i høj opløsning for første gang for at begynde at besvare disse spørgsmål.

"Der sker så meget i Centaurus A, " forklarer Lützgendorf. "Galaksens gas, disk, og stjerner bevæger sig alle under indflydelse af dets centrale supermassive sorte hul. Da galaksen er så tæt på os, vi vil være i stand til at bruge Webb til at skabe todimensionelle kort for at se, hvordan gassen og stjernerne bevæger sig i dens centrale region, hvordan de påvirkes af jetflyene fra dens aktive galaktiske kerne, og i sidste ende bedre karakterisere massen af ​​dets sorte hul."

Et hurtigt tilbageblik

Lad os trykke "tilbagespoling" for at gennemgå lidt af det, der allerede er kendt om Centaurus A. Det er godt undersøgt, fordi det er relativt nærliggende - omkring 13 millioner lysår væk - hvilket betyder, at vi klart kan løse hele galaksen. Den første registrering af det blev registreret i midten af ​​1800-tallet, men astronomer mistede interessen indtil 1950'erne, fordi galaksen så ud til at være en stille, hvis de er forkerte, elliptisk galakse. Da forskere var i stand til at begynde at observere med radioteleskoper i 1940'erne og 50'erne, Centaurus A blev radikalt mere interessant - og dens jetfly kom til syne. I 1954, forskere fandt ud af, at Centaurus A er resultatet af to galakser, der smeltede sammen, som senere blev anslået til at være sket for 100 millioner år siden.

Med flere observationer i begyndelsen af ​​2000'erne, forskere vurderede, at for omkring 10 millioner år siden, dens aktive galaktiske kerne skød tvillingestråler ud i modsatte retninger. Når det undersøges på tværs af det elektromagnetiske spektrum, fra røntgen til radiolys, det er klart, at der er meget mere i denne historie, som vi stadig mangler at lære.

"Multi-bølgelængde undersøgelser af enhver galakse er som lagene af et løg. Hver bølgelængde viser dig noget forskelligt, " sagde Marín. "Med Webbs nær- og melleminfrarøde instrumenter, vi vil se langt koldere gas og støv end i tidligere observationer, og lær meget mere om miljøet i centrum af galaksen."

Visualisering af Webbs data

Holdet ledet af Lützgendorf og Marín vil observere Centaurus A ikke kun ved at tage billeder med Webb, men ved at indsamle data kendt som spektre, som spreder lys ud i dets bestanddele bølgelængder som en regnbue. Webbs spektre vil afsløre information i høj opløsning om temperaturerne, hastigheder, og sammensætninger af materialet i centrum af galaksen.

I særdeleshed, Webb's Near Infrared Spectrograph (NIRSpec and Mid-Infrared Instrument (MIRI) vil give forskerholdet en kombination af data:et billede plus et spektrum fra hver pixel af billedet. Dette vil give forskerne mulighed for at bygge indviklede 2D-kort fra spektre, der vil hjælpe dem med at identificere, hvad der sker bag støvsløret i midten – og analysere det fra mange vinkler i dybden.

Sammenlign denne modelleringsstil med analysen af ​​en have. På samme måde klassificerer botanikere planter baseret på specifikke sæt funktioner, disse forskere vil klassificere spektre fra Webbs MIRI for at konstruere "haver" eller modeller. "Hvis du tager et øjebliksbillede af en have på lang afstand, Marín forklarede, "Du vil se noget grønt, men med Webb, vi vil være i stand til at se individuelle blade og blomster, deres stilke, og måske jorden nedenunder."

Mens forskerholdet graver i spektrene, de vil bygge kort fra individuelle dele af haven, sammenligne et spektrum med et andet nærliggende spektrum. Dette er analogt med at bestemme, hvilke dele der indeholder hvilke plantearter baseret på sammenligninger af "stængler, " "blade, " og "blomster", mens de går.

"Når det kommer til spektralanalyse, vi foretager mange sammenligninger, " fortsatte Marín. "Hvis jeg sammenligner to spektre i denne region, måske vil jeg opdage, at det observerede indeholder en fremtrædende population af unge stjerner. Eller bekræft, hvilke områder der både er støvede og opvarmede. Eller måske vil vi identificere emission, der kommer fra den aktive galaktiske kerne."

Med andre ord, "økosystemet" af spektre har mange niveauer, hvilket vil give teamet mulighed for bedre at definere præcist, hvad der er til stede, og hvor det er – hvilket er gjort muligt af Webbs specialiserede infrarøde instrumenter. Og, da disse undersøgelser vil bygge på mange, der kom før, forskerne vil kunne bekræfte, raffinere, eller bryde ny vej ved at identificere nye funktioner.

Vejning af det sorte hul i Centaurus A

Kombinationen af ​​billeder og spektre leveret af NIRSpec og MIRI vil give holdet mulighed for at skabe meget højopløselige kort over gassens og stjernernes hastigheder i centrum af Centaurus A. "Vi planlægger at bruge disse kort til at modellere, hvordan hele disken i centrum af galaksen bevæger sig for mere præcist at bestemme det sorte huls masse, " forklarer Lützgendorf.

Da forskere forstår, hvordan tyngdekraften af ​​et sort hul styrer rotationen af ​​nærliggende gas, de kan bruge Webb-dataene til at veje det sorte hul i Centaurus A. Med et mere komplet sæt infrarøde data, de vil også afgøre, om forskellige dele af gassen alle opfører sig som forventet. "Jeg ser frem til fuldt ud at udfylde vores data, " sagde Lützgendorf. "Jeg håber at se, hvordan den ioniserede gas opfører sig og snurrer rundt, og hvor vi ser jetflyene."

Forskerne håber også at bryde nye veje. "Det er muligt, at vi finder ting, vi ikke har overvejet endnu, " Lützgendorf forklarer. "I nogle aspekter, vi vil dække helt nyt territorium med Webb." Marín er helhjertet enig, og tilføjer, at det er uvurderligt at bygge på et væld af eksisterende data. "De mest spændende aspekter ved disse observationer er potentialet for nye opdagelser, " sagde hun. "Jeg tror, ​​vi kan finde noget, der får os til at se tilbage på andre data og genfortolke det, der blev set tidligere."

Disse undersøgelser af Centaurus A vil blive udført som en del af Gillian Wright og Pierre Ferruits fælles MIRI og NIRSpec Guaranteed Time Observations programmer. Alle Webbs data vil i sidste ende blive gemt i det offentligt tilgængelige Barbara A. Mikulski Archive for Space Telescopes (MAST) på Space Telescope Science Institute i Baltimore.