Simuleringer viser, at Webb-teleskopet kan afsløre fjerne galakser skjult i kvasarblænding

Kvasarer er de lyseste objekter i universet og blandt de mest energiske. De overstråler hele galakser med milliarder af stjerner. Et supermassivt sort hul ligger i hjertet af enhver kvasar, men ikke ethvert sort hul er en kvasar. Kun de sorte huller, der lever mest glubsk, kan drive en kvasar. Materiale, der falder ned i det supermassive sorte hul, varmes op, og får en kvasar til at lyse voldsomt hen over universet som et fyrtårn.

Selvom kvasarer er kendt for at være i centrum af galakser, det har været svært at sige, hvordan disse galakser er, og hvordan de kan sammenlignes med galakser uden kvasarer. Udfordringen er, at kvasarens blænding gør det svært eller umuligt at drille lyset fra den omgivende værtsgalakse ud. Det er som at se direkte ind i en bilforlygte og prøve at finde ud af, hvilken slags bil den er knyttet til.

En ny undersøgelse tyder på, at NASAs James Webb-rumteleskop, skal lanceres i 2021, vil være i stand til at afsløre værtsgalakserne for nogle fjerne kvasarer på trods af deres små størrelser og tilslørende støv.

"Vi vil gerne vide, hvilken slags galakser disse kvasarer lever i. Det kan hjælpe os med at besvare spørgsmål som:Hvordan kan sorte huller vokse sig så store så hurtigt? Er der en sammenhæng mellem massen af ​​galaksen og massen af ​​det sorte hul? som vi ser i det nærliggende univers?" sagde hovedforfatter Madeline Marshall fra University of Melbourne i Australien, som udførte sit arbejde inden for ARC Center of Excellence in All Sky Astrophysics in 3 Dimensions.

At besvare disse spørgsmål er udfordrende af en række årsager. I særdeleshed, jo fjernere en galakse er, jo mere er dets lys blevet strakt til længere bølgelængder ved universets udvidelse. Som resultat, ultraviolet lys fra det sorte huls tilvækstskive eller galaksens unge stjerner bliver forskudt til infrarøde bølgelængder.

I en nylig undersøgelse, astronomer brugte de nær-infrarøde muligheder i NASAs Hubble-rumteleskop til at studere kendte kvasarer i håb om at se den omgivende glød fra deres værtsgalakser, uden væsentlige påvisninger. Dette tyder på, at støv i galakserne skjuler lyset fra deres stjerner. Webbs infrarøde detektorer vil være i stand til at kigge gennem støvet og afsløre de skjulte galakser.

"Hubble går simpelthen ikke langt nok ind i det infrarøde til at se værtsgalakserne. Det er her Webb virkelig vil udmærke sig, " sagde Rogier Windhorst fra Arizona State University i Tempe, en medforfatter på Hubble-studiet.

For at bestemme, hvad Webb forventes at se, holdet brugte en state-of-the-art computersimulering kaldet BlueTides, udviklet af et team ledet af Tiziana Di Matteo ved Carnegie Mellon University i Pittsburgh, Pennsylvania.

"BlueTides er designet til at studere dannelsen og udviklingen af ​​galakser og kvasarer i de første milliard år af universets historie. Dets store kosmiske volumen og høje rumlige opløsning gør os i stand til at studere disse sjældne kvasarværter på statistisk grundlag, " sagde Yueying Ni fra Carnegie Mellon University, der kørte BlueTides-simuleringen. BlueTides giver god overensstemmelse med aktuelle observationer og giver astronomer mulighed for at forudsige, hvad Webb skal se.

Holdet fandt ud af, at de galakser, der var vært for kvasarer, havde en tendens til at være mindre end gennemsnittet, spænder kun omkring 1/30 af Mælkevejens diameter på trods af, at den indeholder næsten lige så meget masse som vores galakse. "Værtsgalakserne er overraskende små sammenlignet med den gennemsnitlige galakse på det tidspunkt, " sagde Marshall.

Galakserne i simuleringen havde også en tendens til at danne stjerner hurtigt, op til 600 gange hurtigere end den nuværende stjernedannelseshastighed i Mælkevejen. "Vi fandt ud af, at disse systemer vokser meget hurtigt. De er som tidlige børn - de gør alt tidligt, " forklarede medforfatter Di Matteo.

Holdet brugte derefter disse simuleringer til at bestemme, hvad Webbs kameraer ville se, hvis observatoriet studerede disse fjerne systemer. De fandt ud af, at det ville være muligt at skelne værtsgalaksen fra kvasaren, selvom det stadig er udfordrende på grund af galaksens lille størrelse på himlen.

"Webb vil åbne muligheden for at observere disse meget fjerne værtsgalakser for første gang, " sagde Marshall.

De overvejede også, hvad Webbs spektrografer kunne hente ud af disse systemer. Spektral undersøgelser, som opdeler indkommende lys i dets komponentfarver eller bølgelængder, ville kunne afsløre den kemiske sammensætning af støvet i disse systemer. At lære, hvor meget tunge elementer de indeholder, kan hjælpe astronomer med at forstå deres stjernedannelseshistorier, da de fleste af de kemiske grundstoffer produceres i stjerner.

Webb kunne også afgøre, om værtsgalakserne er isolerede eller ej. Hubble-undersøgelsen viste, at de fleste af kvasarerne havde detekterbare ledsagende galakser, men kunne ikke afgøre, om disse galakser faktisk var i nærheden, eller om de er tilfældige superpositioner. Webbs spektrale evner vil gøre det muligt for astronomer at måle rødforskydninger, og dermed afstande, af disse tilsyneladende ledsagende galakser for at afgøre, om de er i samme afstand som kvasaren.

Ultimativt, Webbs observationer skulle give ny indsigt i disse ekstreme systemer. Astronomer kæmper stadig med at forstå, hvordan et sort hul kan vokse til at veje en milliard gange så meget som vores sol på blot en milliard år. "Disse store sorte huller burde ikke eksistere så tidligt, fordi der ikke har været tid nok til, at de kan vokse sig så massive, " sagde medforfatter Stuart Wyithe fra University of Melbourne.

Fremtidige kvasarstudier vil også blive drevet af synergier mellem flere kommende observatorier. Infrarøde undersøgelser med European Space Agency's Euclid-mission, samt det jordbaserede Vera C. Rubin Observatory, en National Science Foundation/Department of Energy-facilitet, der i øjeblikket er under opførelse på Cerro Pachón i Chiles Atacama-ørken. Begge observatorier vil øge antallet af kendte fjerne kvasarer markant. Disse nyfundne kvasarer vil derefter blive undersøgt af Hubble og Webb for at få nye forståelser af universets formår.