Rumteleskop til at studere kvasarer og deres værtsgalakser i tre dimensioner

Supermassive sorte huller, som sandsynligvis bor i centrum af stort set alle galakser, er ufatteligt tætte, kompakte områder af rummet, hvorfra intet - ikke engang lys - kan undslippe. Som sådan et sort hul, vejer millioner eller milliarder af gange Solens masse, fortærer materiale, den er omgivet af en hvirvlende skive af gas. Når gas fra denne skive falder mod det sorte hul, det frigiver en enorm mængde energi. Denne energi skaber en strålende og kraftfuld galaktisk kerne kaldet en kvasar, hvis lys i høj grad kan overstråle sin værtsgalakse.

Astronomer tror i vid udstrækning, at energien fra kvasarer er ansvarlig for at begrænse væksten af ​​massive galakser. Kort efter opsendelsen af ​​NASAs James Webb-rumteleskop, videnskabsmænd planlægger at studere effekten af ​​tre nøje udvalgte kvasarer på deres værtsgalakser i et program kaldet Q3D.

Et supermassivt sort hul er meget lille sammenlignet med dets værtsgalakse – det svarer til en krone i forhold til størrelsen af ​​hele Månen. Stadig, supermassive sorte huller har en enorm indflydelse på de galakser, de bebor.

"Fysisk meget små genstande, Supermassive sorte huller ser ud til at have en enorm indflydelse på galaksernes udvikling og i sidste ende på den måde, vores univers ser ud i dag, " sagde Q3D hovedefterforsker Dominika Wylezalek, en forskningsgruppeleder ved universitetet i Heidelberg i Tyskland.

For to årtier siden, videnskabsmænd antog den kritiske rolle, kvasarer spiller i at begrænse galaksevækst, men specifikke observationsbeviser har været overraskende svære at finde. Forskere mener, at en kvasars voldsomme vinde skubber ud, hvad der svarer til hundredvis af solmasser af materiale hvert år. Mens kvasarvindene fejer hen over galaksens skive, materiale, der ellers ville have dannet nye stjerner, føres voldsomt væk fra galaksen, får stjernefødslen til at ophøre. Men at observere kraften og rækkevidden af ​​kvasarer på deres værtsgalakser er fortsat et stort uløst problem i moderne astrofysik. Webb-teleskopet kunne ændre det.

Analyse af data i 3D

Ud over dens udsøgte følsomhed, opløsning og infrarødt syn, Webbs muligheder omfatter unik tredimensionel billedspektroskopi. Denne specielle observationsteknik giver holdet mulighed for at få detaljerede målinger af lys for hver enkelt pixel på tværs af synsfeltet. Den syr mange billeder sammen med lidt forskellige bølgelængder. Dette giver forskere mulighed for rumligt at kortlægge gasbevægelser inde i galaksen. Teknikken vil revolutionere forståelsen af ​​forholdet mellem supermassive sorte huller og deres værtsgalakser ved at tillade videnskabsmænd at sondere stjernerne, gas og støv i nærliggende og fjerne galakser.

"Billedspektroskopi er vigtig for os, fordi vindene i disse fjerne kvasarer ikke nødvendigvis er symmetriske, " forklarede co-principal investigator Sylvain Veilleux, en professor i astronomi ved University of Maryland, College Park. "Så, man har brug for et spektrum ved hver position for at bestemme, hvad deres geometri er og være i stand til at trække den vigtige information fra disse vinde og den indvirkning, de har på deres værtsgalakser."

Studerer tre kvasarer og deres værter

Q3D-holdet vil studere tre lyse kvasarer for at måle aktiviteten, der kommer fra at samle materiale på supermassive sorte huller, og hvordan værtsgalakserne påvirkes af den aktivitet. Holdet valgte de tre kvasarer af videnskabelige årsager, men også for at teste og vurdere Webbs muligheder. Objekterne spænder med vilje over en meget bred afstand fra Jorden, fra relativt nærliggende til meget langt væk. De er også blandt de mest lysende kvasarer på deres respektive afstande og er kendt for at have udstrømning af materiale.

Kraftige kvasarudstrømninger ser ud til at forhindre en galakses gas i at danne nye stjerner og vokse galaksen. Forskere mener, at denne kvasar-galakse-forbindelse er afgørende for at bestemme, hvordan galakser udvikler sig fra det tidlige univers til i dag. Det er især vigtigt for galakser, der er et par gange større end Mælkevejen, fordi kvasarværter generelt er mere massive galakser.

Se Beyond the Bright Light

Kvasarer er meget lyse sammenlignet med materialet omkring dem, så teamet udvikler specielle softwareværktøjer, der giver dem mulighed for at studere fænomenerne. Da kvasarer blev opdaget i 1950'erne, de var strålende radiokilder, der lignede stjerner på fotografiske plader, så de blev kaldt "kvasistjerne-radiokilder." Til sidst, astronomer lærte, at kvasarer faktisk var inde i galakser, men de var så lyse, at de overstrålede deres værtsgalakser.

"Vi er interesserede i selve kvasaren - den lyse, stjernelignende ting i midten - men vi er også interesserede i den svagere værtsgalakse. Og ikke kun værtsgalaksen, men den endnu svagere udstrømning fra værten. Dette er gassen, der ikke cirkulerer rundt om kvasaren, eller galaksens centrum, men i stedet flyder ud. At se dette virkelig svage stof bag kvasaren, vi er nødt til at fjerne kvasarens lys. Det er en unik ting, softwaren vil gøre." sagde medforsker David Rupke, lektor i fysik ved Rhodes College i Memphis, Tennessee. Rupke leder arbejdet med at skrive softwaren til at analysere Q3D-dataene.

Baner vejen for fremtidige Webb-studier

Q3D-undersøgelsen er en del af Director's Discretionary-Early Release Science-program, som leverer offentlige data til hele det videnskabelige samfund tidligt i teleskopets mission. Dette program giver det astronomiske samfund mulighed for hurtigt at lære, hvordan man bedst bruger Webbs muligheder, samtidig med at det giver robust videnskab.

"Fra et teknisk synspunkt, med vores observationer, vi tester forskellige tilstande, filtre og kombinationer, " forklarede Wylezalek. "Det vil være meget nyttigt for det videnskabelige samfund at se ydelsen i disse forskellige tilstande. Videnskabeligt set, vi undersøger kvasarer ved forskellige lysstyrker og kosmiske tidspunkter for at informere samfundet om Webbs præstationer, når vi vurderer forskellige videnskabelige spørgsmål."

Q3D-softwaren vil ikke kun være nyttig for brugere, der observerer kvasarer, men for alle, der observerer lys, punktlignende, centrale kilder oven på svagere kilder. Sådanne observationer kunne omfatte superstjernehobe, supernovaer, hændelser med tidevandsafbrydelse, eller gammastråleudbrud.

James Webb Space Telescope bliver verdens førende rumvidenskabelige observatorium, når det opsendes i 2021. Webb vil løse mysterier i vores solsystem, se ud over til fjerne verdener omkring andre stjerner, og undersøge de mystiske strukturer og oprindelsen af ​​vores univers og vores plads i det. Webb er et internationalt program ledet af NASA med dets partnere, ESA (European Space Agency) og Canadian Space Agency.