Kwazary przyćmiewają wszystkie gwiazdy w swoich galaktykach macierzystych łącznie i należą do najjaśniejszych obiektów we wszechświecie. Te jasne, odległe, aktywne supermasywne czarne dziury tworzą galaktyki, w których żyją. Wkrótce po wystrzeleniu naukowcy wykorzystają Webba do zbadania sześciu najjaśniejszych i najbardziej odległych kwazarów wraz z ich galaktykami macierzystymi w bardzo młodym wszechświecie. Zbadają rolę, jaką kwazary odgrywały w ewolucji galaktyk w tych wczesnych czasach. Zespół wykorzysta także kwazary do badania gazu w przestrzeni międzygalaktycznej we wszechświecie niemowlęcym. Byłoby to możliwe tylko przy ekstremalnej czułości Webba na słabe poziomy światła i doskonałej rozdzielczości kątowej.
Kwazary to niezwykle jasne, odległe, aktywne czarne dziury o masie od milionów do miliardów mas Słońca. Zwykle znajdują się w centrach galaktyk, żywią się opadającą materią i uwalniają fantastyczne strumienie promieniowania. Wśród najjaśniejszych rzeczy we wszechświecie światło kwazara wspólnie oświetla wszystkie gwiazdy w galaktyce macierzystej, a jego dżety i wiatry kształtują galaktykę, w której się znajduje.
Krótko po wystrzeleniu w tym roku, zespół naukowców będzie trenował Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba na sześciu z najbardziej odległych i najjaśniejszych kwazarów. Będą badać właściwości tych kwazarów i ich galaktyk macierzystych oraz ich wzajemne połączenia na wczesnych etapach ewolucji galaktyki we wczesnym wszechświecie. Zespół wykorzysta również kwazary do badania gazu w przestrzeni międzygalaktycznej, szczególnie w okresie kosmicznej rejonizacji, która zakończyła się, gdy wszechświat był bardzo młody. Osiągną to dzięki wyjątkowej czułości Webba na słabe oświetlenie i imponującej rozdzielczości kątowej.
Webb: Zwiedzanie młodego wszechświata
Gdy Webb spogląda w głąb wszechświata, tak naprawdę spogląda wstecz w czasie. Światło z tych odległych kwazarów rozpoczęło swoją podróż do Webba, gdy wszechświat był bardzo młody i dotarcie do niego zajęło miliardy lat. Zobaczymy rzeczy takimi, jakie były dawno temu, a nie takimi, jakie są dzisiaj.
„Wszystkie badane przez nas kwazary istniały bardzo wcześnie, kiedy wszechświat miał mniej niż 800 milionów lat, czyli mniej niż 6 procent swojego obecnego wieku. Tak więc obserwacje te dają nam możliwość zbadania ewolucji galaktyk i powstawania i ewolucja supermasywnych czarnych dziur w tych wczesnych czasach.Bardzo” – wyjaśnił członek zespołu Santiago Arribas, profesor na Wydziale Astrofizyki Centrum Astrobiologii w Madrycie, Hiszpania. Arribas jest również członkiem Zespołu Naukowego Instrumentów Spektrografów bliskiej podczerwieni (NIRSpec) Webba.
Światło z tych bardzo odległych obiektów zostało rozciągnięte z powodu rozszerzania się przestrzeni. Jest to znane jako kosmiczne przesunięcie ku czerwieni. Im dalej światło, tym większe przesunięcie ku czerwieni. W rzeczywistości światło widzialne z wczesnego Wszechświata jest tak rozciągnięte, że po dotarciu do nas zamienia się w promieniowanie podczerwone. Dzięki szerokiej gamie instrumentów dostrojonych w podczerwieni Webb jest wyjątkowo przystosowany do badania tego typu światła.
Badanie kwazarów, ich galaktyk, środowisk macierzystych i ich potężnych strumieni
Kwazary, które zespół będzie badał, należą nie tylko do najbardziej odległych we wszechświecie, ale także do najjaśniejszych. Te kwazary mają zwykle największą masę czarnych dziur, a także najwyższe tempo akrecji – tempo, z jakim materia wpada do czarnych dziur.
„Jesteśmy zainteresowani obserwowaniem najjaśniejszych kwazarów, ponieważ bardzo duża ilość energii, jaką generują w ich jądrach, powinna prowadzić do największego wpływu na galaktykę macierzystą poprzez mechanizmy takie jak przepływ i ogrzewanie kwazarów” – powiedział Chris. Willott, naukowiec z Centrum Badań Astronomii i Astrofizyki Herzberg kanadyjskiej Narodowej Rady ds. Badań Naukowych (NRC) w Victorii w Kolumbii Brytyjskiej. Willott jest także naukowcem projektu Webb w CSA. „Chcemy obserwować te kwazary w momencie, gdy mają największy wpływ na galaktyki macierzyste”.
Ogromna ilość energii jest uwalniana, gdy materia gromadzi się przez supermasywną czarną dziurę. Ta energia nagrzewa się i wypycha otaczający gaz na zewnątrz, generując potężne wypływy, które rozdzierają przestrzeń międzygwiezdną jak tsunami, powodując spustoszenie w galaktyce macierzystej.
Zobacz, jak dżety i wiatry z supermasywnej czarnej dziury wpływają na galaktykę macierzystą – i przestrzeń kosmiczną setki tysięcy lat świetlnych od nas przez miliony lat. Źródło: NASA, ESA i L. Hustak (STScI)
Wypływy odgrywają ważną rolę w ewolucji galaktyk. Gaz napędza tworzenie się gwiazd, więc gdy gaz jest usuwany z powodu wypływów, tempo powstawania gwiazd maleje. W niektórych przypadkach wypływy są tak potężne, że wyrzucają tak duże ilości gazu, że mogą całkowicie zatrzymać formowanie się gwiazd w galaktyce macierzystej. Naukowcy uważają również, że wypływy są głównym mechanizmem redystrybucji gazu, pyłu i pierwiastków na duże odległości w galaktyce, a nawet mogą zostać wyrzucone w przestrzeń międzygalaktyczną – ośrodek międzygalaktyczny. Może to wywołać fundamentalne zmiany we właściwościach zarówno galaktyki gospodarza, jak i ośrodka międzygalaktycznego.
Badanie właściwości przestrzeni międzygalaktycznej w erze rejonizacji
Ponad 13 miliardów lat temu, kiedy wszechświat był bardzo młody, krajobraz nie był jasny. Neutralny gaz między galaktykami sprawił, że Wszechświat stał się nieprzezroczysty dla niektórych rodzajów światła. W ciągu setek milionów lat neutralny gaz w ośrodku międzygalaktycznym został naładowany lub zjonizowany, czyniąc go przezroczystym dla światła ultrafioletowego. Okres ten nazywany jest erą rejonizacji. Ale co doprowadziło do rejonizacji, która stworzyła „oczywiste” warunki, które są obecnie wykrywane w większości wszechświata? Webb zagłębi się w kosmos, aby zebrać więcej informacji o tej wielkiej transformacji w historii wszechświata. Obserwacje pomogą nam zrozumieć erę rejonizacji, jednej z głównych granic w astrofizyce.
Zespół wykorzysta kwazary jako źródła światła tła do badania gazu między nami a kwazarem. Gaz ten pochłania światło kwazara o określonych długościach fal. Dzięki technice zwanej spektroskopią obrazowania będą szukać linii absorpcyjnych w zakłócającym gazie. A im jaśniejszy kwazar, tym silniejsze linie absorpcyjne w widmie. Ustalając, czy gaz jest neutralny czy zjonizowany, naukowcy dowiedzą się, jak neutralny jest wszechświat i na ile ten proces rejonizacji zachodzi w danym momencie.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wykorzysta innowacyjny instrument o nazwie Integrated Field Unit (IFU) do jednoczesnego rejestrowania obrazów i widm. Ten film przedstawia podstawowy przegląd działania IFU. Źródło: NASA, ESA, CSA i L. Hustak (STScI)
„Jeśli chcesz badać wszechświat, potrzebujesz bardzo jasnych źródeł tła. Kwazar jest idealną rzeczą w odległym wszechświecie, ponieważ jest wystarczająco jasny” – powiedział członek zespołu Camilla Pacifici, który jest związany z Kanadyjską Agencją Kosmiczną, ale pracuje jako naukowiec zajmujący się instrumentami w Space Telescope Science Institute. Więc możemy to bardzo dobrze zobaczyć. W Baltimore. „Chcemy badać wczesny wszechświat, ponieważ wszechświat ewoluuje i chcemy wiedzieć, jak to się zaczęło”.
Zespół przeanalizuje światło pochodzące z kwazarów za pomocą NIRSpec do poszukiwania tego, co astronomowie nazywają „metalami”, pierwiastkami cięższymi od wodoru i helu. Pierwiastki te powstały w pierwszych gwiazdach i pierwszych galaktykach i zostały wyrzucone przez wypływy. Gaz wydostaje się z galaktyk, w których pierwotnie się znajdował, do ośrodka międzygalaktycznego. Zespół planuje zmierzyć powstawanie tych pierwszych „metali”, a także sposób, w jaki są one wpychane do ośrodka międzygalaktycznego przez te wczesne wypływy.
Moc sieci
Webb to bardzo czuły teleskop zdolny do wykrywania bardzo niskich poziomów światła. Jest to znaczące, ponieważ chociaż kwazary są z natury bardzo jasne, te, które zespół ten będzie obserwował, należą do najbardziej odległych obiektów we wszechświecie. W rzeczywistości są tak daleko, że sygnały, które Webb otrzyma, są bardzo, bardzo niskie. Tylko dzięki niezwykłej wrażliwości Webba można osiągnąć tę naukę. Webb zapewnia również doskonałą rozdzielczość kątową, która umożliwia oddzielenie światła kwazara od jego macierzystej galaktyki.
Opisane tutaj programy kwazarowe to Gwarantowane notatki czasu z wykorzystaniem możliwości spektralnych NIRSpec.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba będzie pierwszym na świecie obserwatorium kosmicznym, gdy zostanie uruchomiony w 2021 roku. Webb rozwiąże tajemnice naszego Układu Słonecznego, spojrzy dalej na odległe światy wokół innych gwiazd i zbada tajemnicze struktury i pochodzenie wszechświata oraz nasze miejsce w nim. Webb to międzynarodowy program prowadzony przez NASA wraz z partnerami ESA (Europejską Agencją Kosmiczną) i Kanadyjską Agencją Kosmiczną.
„Introwertyk. Myśliciel. Rozwiązuje problemy. Specjalista od złego piwa. Skłonny do apatii. Ekspert od mediów społecznościowych. Wielokrotnie nagradzany fanatyk jedzenia.”