El telescopio Webb de la NASA mirará hacia atrás en el tiempo y utilizará quásares para descubrir los secretos del universo temprano
Este es el concepto de un artista de una galaxia con un quásar brillante en su centro. Un quásar es un agujero negro supermasivo muy brillante, distante y activo que tiene de millones a miles de millones de veces la masa del Sol. Entre los objetos más brillantes del universo, la luz de un quásar eclipsa a la de todas las estrellas de su galaxia anfitriona combinadas. Los quásares se alimentan de la materia que cae y desatan torrentes de vientos y radiación, dando forma a las galaxias en las que residen. Utilizando las capacidades únicas de Webb, los científicos estudiarán seis de los cuásares más distantes y luminosos del universo. Crédito: NASA, ESA y J. Olmsted (STScI)
Mirando hacia atrás en el tiempo, Webb verá cuásares como aparecieron hace miles de millones de años
Eclipsando a todas las estrellas en sus galaxias anfitrionas combinadas, los quásares se encuentran entre los objetos más brillantes del universo. Estos agujeros negros supermasivos brillantes, distantes y activos dan forma a las galaxias en las que residen. Poco después de su lanzamiento, los científicos utilizarán Webb para estudiar seis de los cuásares más remotos y luminosos, junto con sus galaxias anfitrionas, en el universo muy joven. Examinarán qué papel juegan los cuásares en la evolución de las galaxias durante estos primeros tiempos. El equipo también utilizará los cuásares para estudiar el gas en el espacio entre galaxias en el universo infantil. Solo con la extrema sensibilidad de Webb a bajos niveles de luz y su excelente resolución angular será posible.
Los quásares son agujeros negros supermasivos muy brillantes, distantes y activos que tienen de millones a miles de millones de veces la masa del Sol. Normalmente ubicados en el centro de las galaxias, se alimentan de la materia que cae y liberan fantásticos torrentes de radiación. Entre los objetos más brillantes del universo, la luz de un quásar eclipsa a la de todas las estrellas de su galaxia anfitriona combinadas, y sus chorros y vientos dan forma a la galaxia en la que reside.
Poco después de su lanzamiento a finales de este año, un equipo de científicos entrenará al telescopio espacial James Webb de la NASA en seis de los cuásares más distantes y luminosos. Estudiarán las propiedades de estos cuásares y sus galaxias anfitrionas, y cómo están interconectados durante las primeras etapas de la evolución de las galaxias en el universo temprano. El equipo también utilizará los cuásares para examinar el gas en el espacio entre galaxias, particularmente durante el período de reionización cósmica, que terminó cuando el universo era muy joven. Lo lograrán utilizando la extrema sensibilidad de Webb a bajos niveles de luz y su excelente resolución angular.
(Haga clic en la imagen para ver la infografía completa.) Hace más de 13 mil millones de años, durante la Era de la Reionización, el universo era un lugar muy diferente. El gas entre las galaxias era en gran parte opaco a la luz energética, lo que dificultaba la observación de galaxias jóvenes. ¿Qué permitió que el universo se ionizara completamente o se volviera transparente, lo que eventualmente condujo a las condiciones "claras" detectadas en gran parte del universo hoy en día? El telescopio espacial James Webb se adentrará profundamente en el espacio para recopilar más información sobre los objetos que existieron durante la Era de la Reionización para ayudarnos a comprender esta importante transición en la historia del universo. Crédito: NASA, ESA y J. Kang (STScI)
Webb: Visitando el universo joven
A medida que Webb se adentra en el universo, en realidad mirará hacia atrás en el tiempo. La luz de estos cuásares distantes comenzó su viaje a Webb cuando el universo era muy joven y tardó miles de millones de años en llegar. Veremos las cosas como eran hace mucho tiempo, no como son hoy.
“Todos estos cuásares que estamos estudiando existieron muy temprano, cuando el universo tenía menos de 800 millones de años, o menos del 6 por ciento de su edad actual. Entonces, estas observaciones nos brindan la oportunidad de estudiar la evolución de galaxias y la formación y evolución de agujeros negros supermasivos en estos tiempos muy tempranos”, explicó el miembro del equipo Santiago Arribas, profesor de investigación en el Departamento de Astrofísica del Centro de Astrobiología en Madrid , España. Arribas también es miembro del equipo científico de instrumentos del espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) de Webb.
(Haga clic en la imagen para ver la infografía completa). El universo se está expandiendo y esa expansión extiende la luz que viaja a través del espacio en un fenómeno conocido como corrimiento al rojo cosmológico. Cuanto mayor es el corrimiento al rojo, mayor es la distancia que ha recorrido la luz. Como resultado, se necesitan telescopios con detectores infrarrojos para ver la luz de las primeras galaxias más distantes. Crédito: NASA, ESA y L. Hustak (STSci)
La luz de estos objetos muy distantes se ha estirado por la expansión del espacio. Esto se conoce como corrimiento al rojo cosmológico. Cuanto más lejos tiene que viajar la luz, más se desplaza al rojo. De hecho, la luz visible emitida en el universo temprano se estira de manera tan dramática que se desplaza hacia el infrarrojo cuando llega a nosotros. Con su conjunto de instrumentos afinados por infrarrojos, Webb es especialmente adecuado para estudiar este tipo de luz.
Estudio de los quásares, sus galaxias y entornos anfitriones, y sus poderosos flujos de salida
Los quásares que estudiará el equipo no solo se encuentran entre los más distantes del universo, sino también entre los más brillantes. Estos cuásares suelen tener las masas de agujeros negros más altas y también tienen las tasas de acreción más altas, las tasas a las que el material cae en los agujeros negros.
"Estamos interesados en observar los cuásares más luminosos porque la gran cantidad de energía que están generando en sus núcleos debería conducir al mayor impacto en la galaxia anfitriona por mecanismos como el flujo de salida y el calentamiento del cuásar", dijo Chris. Willott, científico investigador del Centro de Investigación de Astronomía y Astrofísica Herzberg del Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC) en Victoria, Columbia Británica. Willott es también científico del proyecto Webb de la Agencia Espacial Canadiense. "Queremos observar estos cuásares en el momento en que tienen el mayor impacto en las galaxias que los albergan".
Se libera una enorme cantidad de energía cuando el agujero negro supermasivo acumula materia. Esta energía calienta y empuja el gas circundante hacia afuera, generando fuertes flujos de salida que atraviesan el espacio interestelar como un tsunami, causando estragos en la galaxia anfitriona.
Observe cómo los chorros y vientos de un agujero negro supermasivo afectan a su galaxia anfitriona, y al espacio a cientos de miles de años luz de distancia durante millones de años. Crédito: NASA, ESA y L. Hustak (STScI)
Los flujos de salida juegan un papel importante en la evolución de las galaxias. El gas alimenta la formación de estrellas, por lo que cuando se elimina el gas debido a los flujos de salida, la tasa de formación de estrellas disminuye. En algunos casos, los flujos de salida son tan poderosos y expulsan cantidades tan grandes de gas que pueden detener por completo la formación de estrellas dentro de la galaxia anfitriona. Los científicos también piensan que los flujos de salida son el mecanismo principal por el cual el gas, el polvo y los elementos se redistribuyen a grandes distancias dentro de la galaxia o incluso pueden ser expulsados al espacio entre las galaxias, el medio intergaláctico. Esto puede provocar cambios fundamentales en las propiedades tanto de la galaxia anfitriona como del medio intergaláctico.
Examinando las propiedades del espacio intergaláctico durante la era de la reionización
Hace más de 13 mil millones de años, cuando el universo era muy joven, la vista estaba lejos de ser clara. El gas neutro entre galaxias hizo que el universo se volviera opaco a algunos tipos de luz. Durante cientos de millones de años, el gas neutro en el medio intergaláctico se cargó o ionizó, haciéndolo transparente a la luz ultravioleta. Este período se llama la Era de la Reionización. Pero, ¿qué llevó a la reionización que creó las condiciones "claras" detectadas en gran parte del universo actual? Webb se adentrará en el espacio para recopilar más información sobre esta importante transición en la historia del universo. Las observaciones nos ayudarán a comprender la Era de la Reionización, que es una de las fronteras clave de la astrofísica.
El equipo utilizará cuásares como fuentes de luz de fondo para estudiar el gas entre nosotros y el cuásar. Ese gas absorbe la luz del cuásar en longitudes de onda específicas. A través de una técnica llamada espectroscopia de imágenes, buscarán líneas de absorción en el gas intermedio. Cuanto más brillante sea el quásar, más fuertes serán las características de la línea de absorción en el espectro. Al determinar si el gas es neutral o ionizado, los científicos aprenderán qué tan neutral es el universo y cuánto de este proceso de reionización ha ocurrido en ese momento en particular.
El telescopio espacial James Webb utilizará un instrumento innovador llamado unidad de campo integral (IFU) para capturar imágenes y espectros al mismo tiempo. Este video ofrece una descripción general básica de cómo funciona la IFU. Crédito: NASA, ESA, CSA y L. Hustak (STScI)
“Si quieres estudiar el universo, necesitas fuentes de fondo muy brillantes. Un quásar es el objeto perfecto en el universo distante, porque es lo suficientemente luminoso como para que podamos verlo muy bien ”, dijo Camilla Pacifici, miembro del equipo, quien está afiliada a la Agencia Espacial Canadiense pero trabaja como científica instrumental en el Instituto Científico del Telescopio Espacial. en Baltimore. "Queremos estudiar el universo temprano porque el universo evoluciona y queremos saber cómo empezó".
El equipo analizará la luz proveniente de los cuásares con NIRSpec para buscar lo que los astrónomos llaman "metales", que son elementos más pesados que el hidrógeno y el helio. Estos elementos se formaron en las primeras estrellas y las primeras galaxias y fueron expulsados por flujos de salida. El gas sale de las galaxias en las que estaba originalmente y entra en el medio intergaláctico. El equipo planea medir la generación de estos primeros "metales", así como la forma en que estos primeros flujos de salida los empujan hacia el medio intergaláctico.
El poder de Webb
Webb es un telescopio extremadamente sensible capaz de detectar niveles de luz muy bajos. Esto es importante, porque aunque los quásares son intrínsecamente muy brillantes, los que este equipo va a observar se encuentran entre los objetos más distantes del universo. De hecho, están tan distantes que las señales que recibirá Webb son muy, muy bajas. Solo con la exquisita sensibilidad de Webb se puede lograr esta ciencia. Webb también proporciona una excelente resolución angular, lo que hace posible desenredar la luz del cuásar de su galaxia anfitriona.
Los programas de cuásar descritos aquí son Observaciones de tiempo garantizado involucrando las capacidades espectroscópicas de NIRSpec.
El telescopio espacial James Webb será el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo cuando se lance en 2021. Webb resolverá misterios en nuestro sistema solar, verá más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar. en eso. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.
