Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Astronomi

NASAs Webb Telescope vil bruge kvasarer til at låse op for det tidlige univers hemmeligheder

Dette er en kunstners koncept af en galakse med en strålende kvasar i centrum. En kvasar er en meget lysende fjernt og aktivt supermassivt sort hul, der er millioner til milliarder af gange Solens masse. Blandt de lyseste objekter i universet, en kvasars lys overstråler det af alle stjernerne i dens værtsgalakse tilsammen. Kvasarer lever af indfaldende stof og udløser strømme af vinde og stråling, forme de galakser, de bor i. Ved at bruge Webbs unikke egenskaber, videnskabsmænd vil studere seks af de fjerneste og mest lysende kvasarer i universet. Kredit:NASA, ESA og J. Olmsted (STScI)

Kvasarer er meget lyse, fjerne og aktive supermassive sorte huller, der er millioner til milliarder af gange Solens masse. Typisk placeret i centrum af galakser, de lever af indfaldende stof og udløser fantastiske strømme af stråling. Blandt de lyseste objekter i universet, en kvasars lys overstråler det af alle stjernerne i dens værtsgalakse tilsammen, og dens jetfly og vinde former den galakse, hvori den befinder sig.

Kort efter lanceringen senere i år, et hold videnskabsmænd vil træne NASAs James Webb-rumteleskop på seks af de fjerneste og mest lysende kvasarer. De vil studere egenskaberne af disse kvasarer og deres værtsgalakser, og hvordan de var forbundet under de første stadier af galakseudviklingen i det meget tidlige univers. Holdet vil også bruge kvasarerne til at undersøge gassen i rummet mellem galakser, især i perioden med kosmisk reionisering, som sluttede, da universet var meget ung. De vil opnå dette ved hjælp af Webbs ekstreme følsomhed over for lave lysniveauer og dens fremragende vinkelopløsning.

Webb:Besøger det unge univers

Mens Webb kigger dybt ind i universet, det vil faktisk se tilbage i tiden. Lys fra disse fjerne kvasarer begyndte sin rejse til Webb, da universet var meget ung, og det tog milliarder af år at nå frem. Vi vil se tingene, som de var for længe siden, ikke som de er i dag.

"Alle disse kvasarer, vi studerer, eksisterede meget tidligt, da universet var mindre end 800 millioner år gammelt, eller mindre end 6 procent af sin nuværende alder. Så disse observationer giver os mulighed for at studere galakse-evolution og supermassive sorte huls dannelse og evolution på disse meget tidlige tidspunkter, " forklarede teammedlem Santiago Arribas, en forskningsprofessor ved Institut for Astrofysik ved Center for Astrobiologi i Madrid, Spanien. Arribas er også medlem af Webb's Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) Instrument Science Team.

Lyset fra disse meget fjerne objekter er blevet strakt ved udvidelsen af ​​rummet. Dette er kendt som kosmologisk rødforskydning. Jo længere lyset skal rejse, jo mere er den rødforskudt. Faktisk, det synlige lys, der udsendes i det tidlige univers, strækkes så dramatisk, at det flyttes ud i det infrarøde, når det ankommer til os. Med sin suite af infrarød-tunede instrumenter, Webb er unikt egnet til at studere denne form for lys.

At studere kvasarer, deres værtsgalakser og miljøer, og deres kraftige udstrømning

De kvasarer, som holdet vil studere, er ikke kun blandt de fjerneste i universet, men også blandt de dygtigste. Disse kvasarer har typisk de højeste sorte hul-masser, og de har også de højeste tilvæksthastigheder - de hastigheder, hvormed materiale falder ned i de sorte huller.

"Vi er interesserede i at observere de mest lysende kvasarer, fordi den meget høje mængde energi, som de genererer nede ved deres kerner, burde føre til den største indvirkning på værtsgalaksen af ​​mekanismer som kvasarudstrømning og opvarmning, " sagde Chris Willott, en forsker ved Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Center i National Research Council of Canada (NRC) i Victoria, Britisk Columbia. Willott er også den canadiske rumfartsorganisations Webb-projektforsker. "Vi ønsker at observere disse kvasarer i det øjeblik, hvor de har den største indvirkning på deres værtsgalakser."

En enorm mængde energi frigøres, når stof ophobes af det supermassive sorte hul. Denne energi opvarmer og skubber den omgivende gas udad, genererer stærke udstrømninger, der river tværs gennem det interstellare rum som en tsunami, forårsager kaos på værtsgalaksen.

Udstrømninger spiller en vigtig rolle i galakseudviklingen. Gas brænder for dannelsen af ​​stjerner, så når gas fjernes på grund af udstrømning, stjernedannelseshastigheden falder. I nogle tilfælde, udstrømninger er så kraftige og udviser så store mængder gas, at de fuldstændig kan standse stjernedannelsen i værtsgalaksen. Forskere mener også, at udstrømning er den vigtigste mekanisme, hvorved gas, støv og elementer omfordeles over store afstande inden for galaksen eller kan endda blive udstødt i rummet mellem galakser - det intergalaktiske medium. Dette kan fremprovokere fundamentale ændringer i egenskaberne af både værtsgalaksen og det intergalaktiske medium.

Undersøgelse af det intergalaktiske rums egenskaber under reioniseringens æra

For mere end 13 milliarder år siden, da universet var meget ungt, udsigten var langt fra klar. Neutral gas mellem galakser gjorde universet uigennemsigtigt for nogle typer lys. Over hundreder af millioner af år, den neutrale gas i det intergalaktiske medium blev ladet eller ioniseret, gør det gennemsigtigt for ultraviolet lys. Denne periode kaldes reioniseringens æra. Men hvad førte til den reionisering, der skabte de "klare" forhold, der er opdaget i store dele af universet i dag? Webb vil kigge dybt ud i rummet for at indsamle mere information om denne store overgang i universets historie. Observationerne vil hjælpe os med at forstå reioniseringens æra, som er en af ​​nøglegrænserne inden for astrofysik.

Holdet vil bruge kvasarer som baggrundslyskilder til at studere gassen mellem os og kvasaren. Den gas absorberer kvasarens lys ved bestemte bølgelængder. Gennem en teknik kaldet billeddannelsesspektroskopi, de vil lede efter absorptionslinjer i den mellemliggende gas. Jo lysere kvasaren er, jo stærkere vil disse absorptionslinjefunktioner være i spektret. Ved at bestemme, om gassen er neutral eller ioniseret, videnskabsmænd vil lære, hvor neutralt universet er, og hvor meget af denne reioniseringsproces, der har fundet sted på det bestemte tidspunkt.

"Hvis du vil studere universet, du har brug for meget lyse baggrundskilder. En kvasar er det perfekte objekt i det fjerne univers, fordi den er lysende nok til at vi kan se den meget godt, " sagde teammedlem Camilla Pacifici, der er tilknyttet den canadiske rumfartsorganisation, men arbejder som instrumentforsker ved Space Telescope Science Institute i Baltimore. "Vi ønsker at studere det tidlige univers, fordi universet udvikler sig, og vi vil gerne vide, hvordan det startede."

Holdet vil analysere lyset, der kommer fra kvasarerne med NIRSpec for at se efter, hvad astronomer kalder "metaller, " som er grundstoffer, der er tungere end brint og helium. Disse grundstoffer blev dannet i de første stjerner og de første galakser og udstødt af udstrømninger. Gassen bevæger sig ud af de galakser, den oprindeligt var i, og ind i det intergalaktiske medium. Holdet planlægger at måle generation af disse første "metaller, "såvel som den måde, de bliver skubbet ud i det intergalaktiske medium af disse tidlige udstrømninger.

Kraften i Webb

Webb er et ekstremt følsomt teleskop, der kan registrere meget lave lysniveauer. Dette er vigtigt, fordi selv om kvasarerne i sig selv er meget lyse, dem, som dette hold kommer til at observere, er blandt de fjerneste objekter i universet. Faktisk, de er så fjerne, at de signaler, Webb vil modtage, er meget, meget lav. Kun med Webbs udsøgte følsomhed kan denne videnskab opnås. Webb giver også fremragende vinkelopløsning, gør det muligt at adskille lyset fra kvasaren fra dens værtsgalakse.

De kvasarprogrammer, der er beskrevet her, er garanterede tidsobservationer, der involverer NIRSpecs spektroskopiske egenskaber.