Il telescopio Webb della NASA guarderà indietro nel tempo e utilizzerà i quasar per svelare i segreti dell'universo primordiale
Questo è il concetto artistico di una galassia con un brillante quasar al centro. Un quasar è un buco nero supermassiccio molto luminoso, distante e attivo che ha una massa da milioni a miliardi di volte la massa del Sole. Tra gli oggetti più luminosi dell'universo, la luce di un quasar supera quella di tutte le stelle messe insieme nella sua galassia ospite. I quasar si nutrono di materia in caduta e scatenano torrenti di venti e radiazioni, modellando le galassie in cui risiedono. Utilizzando le capacità uniche di Webb, gli scienziati studieranno sei dei quasar più distanti e luminosi dell'universo. Credito: NASA, ESA e J. Olmsted (STScI)
Guardando indietro nel tempo, Webb vedrà i quasar come apparivano miliardi di anni fa
Eclissando tutte le stelle nelle loro galassie ospiti messe insieme, i quasar sono tra gli oggetti più luminosi dell'universo. Questi buchi neri supermassicci brillanti, distanti e attivi danno forma alle galassie in cui risiedono. Poco dopo il suo lancio, gli scienziati utilizzeranno Webb per studiare sei dei quasar più lontani e luminosi, insieme alle loro galassie ospiti, nell'universo molto giovane. Esamineranno il ruolo svolto dai quasar nell'evoluzione della galassia durante questi primi tempi. Il team utilizzerà anche i quasar per studiare il gas nello spazio tra le galassie nell'universo neonato. Solo con l'estrema sensibilità di Webb ai bassi livelli di luce e la sua superba risoluzione angolare questo sarà possibile.
I quasar sono buchi neri supermassicci molto luminosi, distanti e attivi che hanno una massa da milioni a miliardi di volte la massa del Sole. Tipicamente situati al centro delle galassie, si nutrono di materia in caduta e rilasciano fantastici torrenti di radiazioni. Tra gli oggetti più luminosi dell'universo, la luce di un quasar supera quella di tutte le stelle nella sua galassia ospite messe insieme, ei suoi getti e venti modellano la galassia in cui risiede.
Poco dopo il suo lancio entro la fine dell'anno, un team di scienziati addestrerà il James Webb Space Telescope della NASA su sei dei quasar più distanti e luminosi. Studieranno le proprietà di questi quasar e delle loro galassie ospiti e come sono interconnessi durante le prime fasi dell'evoluzione delle galassie nell'universo primordiale. Il team utilizzerà i quasar anche per esaminare il gas nello spazio tra le galassie, in particolare durante il periodo di reionizzazione cosmica, terminato quando l'universo era molto giovane. Lo faranno utilizzando l'estrema sensibilità di Webb ai bassi livelli di luce e la sua superba risoluzione angolare.
(Clicca sull'immagine per vedere l'infografica completa.) Più di 13 miliardi di anni fa, durante l'era della reionizzazione, l'universo era un posto molto diverso. Il gas tra le galassie era in gran parte opaco alla luce energetica, rendendo difficile l'osservazione di giovani galassie. Cosa ha permesso all'universo di diventare completamente ionizzato, o trasparente, portando alla fine alle condizioni "chiare" rilevate in gran parte dell'universo oggi? Il James Webb Space Telescope scruterà in profondità nello spazio per raccogliere più informazioni sugli oggetti che esistevano durante l'era della reionizzazione per aiutarci a comprendere questa importante transizione nella storia dell'universo. Credito: NASA, ESA e J. Kang (STScI)
Webb: Visitare l'universo giovane
Mentre Webb scruta in profondità nell'universo, guarderà effettivamente indietro nel tempo. La luce di questi quasar lontani ha iniziato il suo viaggio verso Webb quando l'universo era molto giovane e impiegava miliardi di anni per arrivare. Vedremo le cose come erano molto tempo fa, non come sono oggi.
"Tutti questi quasar che stiamo studiando esistevano molto presto, quando l'universo aveva meno di 800 milioni di anni, o meno del 6% della sua età attuale. Quindi queste osservazioni ci danno l'opportunità di studiare l'evoluzione delle galassie e la formazione e l'evoluzione dei buchi neri supermassicci in questi primissimi tempi", ha spiegato il membro del team Santiago Arribas, professore di ricerca presso il Dipartimento di Astrofisica del Center for Astrobiology in Madrid, Spagna. Arribas è anche un membro del Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) Instrument Science Team.
(Clicca sull'immagine per vedere l'infografica completa.) L'universo si sta espandendo e quell'espansione estende la luce che viaggia attraverso lo spazio in un fenomeno noto come spostamento verso il rosso cosmologico. Maggiore è il redshift, maggiore è la distanza percorsa dalla luce. Di conseguenza, sono necessari telescopi con rivelatori a infrarossi per vedere la luce delle prime galassie più lontane. Credito: NASA, ESA e L. Hustak (STsci)
La luce di questi oggetti molto distanti è stata allungata dall'espansione dello spazio. Questo è noto come redshift cosmologico. Più la luce deve viaggiare, più viene spostata verso il rosso. In effetti, la luce visibile emessa nell'universo primordiale è allungata in modo così drammatico che viene spostata nell'infrarosso quando arriva a noi. Con la sua suite di strumenti sintonizzati all'infrarosso, Webb è particolarmente adatto allo studio di questo tipo di luce.
Studiare i quasar, le galassie e gli ambienti che li ospitano e i loro potenti deflussi
I quasar che il team studierà non sono solo tra i più distanti dell'universo, ma anche tra i più luminosi. Questi quasar hanno in genere le masse più alte dei buchi neri e hanno anche i tassi di accrescimento più alti, i tassi con cui il materiale cade nei buchi neri.
"Siamo interessati a osservare i quasar più luminosi perché la quantità molto elevata di energia che stanno generando nei loro nuclei dovrebbe portare al maggiore impatto sulla galassia ospite da parte di meccanismi come il deflusso e il riscaldamento dei quasar", ha affermato Chris Willott, ricercatore presso l'Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Center del National Research Council of Canada (NRC) a Victoria, British Columbia. Willott è anche lo scienziato del progetto Webb dell'Agenzia spaziale canadese. "Vogliamo osservare questi quasar nel momento in cui stanno avendo il maggiore impatto sulle loro galassie ospiti".
Un'enorme quantità di energia viene liberata quando la materia viene accumulata dal buco nero supermassiccio. Questa energia riscalda e spinge il gas circostante verso l'esterno, generando forti deflussi che lacerano lo spazio interstellare come uno tsunami, seminando il caos nella galassia ospite.
Guarda come i getti e i venti di un buco nero supermassiccio colpiscono la sua galassia ospite e lo spazio a centinaia di migliaia di anni luce di distanza nel corso di milioni di anni. Credito: NASA, ESA e L. Hustak (STScI)
I deflussi svolgono un ruolo importante nell'evoluzione della galassia. Il gas alimenta la formazione delle stelle, quindi quando il gas viene rimosso a causa dei deflussi, il tasso di formazione stellare diminuisce. In alcuni casi, i deflussi sono così potenti ed espellono così grandi quantità di gas da poter fermare completamente la formazione stellare all'interno della galassia ospite. Gli scienziati pensano anche che i deflussi siano il meccanismo principale mediante il quale gas, polvere ed elementi vengono ridistribuiti su grandi distanze all'interno della galassia o possono persino essere espulsi nello spazio tra le galassie, il mezzo intergalattico. Ciò può provocare cambiamenti fondamentali nelle proprietà sia della galassia ospite che del mezzo intergalattico.
Esame delle proprietà dello spazio intergalattico durante l'era della reionizzazione
Più di 13 miliardi di anni fa, quando l'universo era molto giovane, la visione era tutt'altro che chiara. Il gas neutro tra le galassie ha reso l'universo opaco ad alcuni tipi di luce. Nel corso di centinaia di milioni di anni, il gas neutro nel mezzo intergalattico si è caricato o ionizzato, rendendolo trasparente alla luce ultravioletta. Questo periodo è chiamato l'era della reionizzazione. Ma cosa ha portato alla reionizzazione che ha creato le condizioni "chiare" rilevate in gran parte dell'universo oggi? Webb scruterà in profondità nello spazio per raccogliere ulteriori informazioni su questa importante transizione nella storia dell'universo. Le osservazioni ci aiuteranno a capire l'Era della Reionizzazione, che è una delle frontiere chiave dell'astrofisica.
Il team utilizzerà i quasar come sorgenti luminose di sfondo per studiare il gas tra noi e il quasar. Quel gas assorbe la luce del quasar a lunghezze d'onda specifiche. Attraverso una tecnica chiamata spettroscopia di imaging, cercheranno le linee di assorbimento nel gas interposto. Più luminoso è il quasar, più forti saranno le caratteristiche della linea di assorbimento nello spettro. Determinando se il gas è neutro o ionizzato, gli scienziati impareranno quanto è neutro l'universo e quanto di questo processo di reionizzazione si è verificato in quel particolare momento.
Il James Webb Space Telescope utilizzerà uno strumento innovativo chiamato IFU (integral field unit) per catturare immagini e spettri allo stesso tempo. Questo video offre una panoramica di base di come funziona l'IFU. Credito: NASA, ESA, CSA e L. Hustak (STScI)
“Se vuoi studiare l'universo, hai bisogno di fonti di sfondo molto luminose. Un quasar è l'oggetto perfetto nell'universo lontano, perché è abbastanza luminoso da poterlo vedere molto bene", ha affermato Camilla Pacifici, membro del team, affiliata all'Agenzia spaziale canadese ma che lavora come scienziata degli strumenti allo Space Telescope Science Institute a Baltimora. "Vogliamo studiare l'universo primordiale perché l'universo si evolve e vogliamo sapere come è iniziato".
Il team analizzerà la luce proveniente dai quasar con NIRSpec per cercare quelli che gli astronomi chiamano "metalli", che sono elementi più pesanti dell'idrogeno e dell'elio. Questi elementi si sono formati nelle prime stelle e nelle prime galassie ed espulsi dai deflussi. Il gas esce dalle galassie in cui si trovava originariamente dentro e dentro il mezzo intergalattico. Il team prevede di misurare la generazione di questi primi "metalli" e il modo in cui vengono spinti nel mezzo intergalattico da questi primi deflussi.
Il potere di Webb
Webb è un telescopio estremamente sensibile in grado di rilevare livelli di luce molto bassi. Questo è importante, perché anche se i quasar sono intrinsecamente molto luminosi, quelli che questa squadra osserverà sono tra gli oggetti più distanti dell'universo. In effetti, sono così distanti che i segnali che Webb riceverà sono molto, molto bassi. Solo con la squisita sensibilità di Webb questa scienza può essere realizzata. Webb fornisce anche un'eccellente risoluzione angolare, rendendo possibile districare la luce del quasar dalla sua galassia ospite.
I programmi quasar descritti qui sono Osservazioni temporali garantite che coinvolgono le capacità spettroscopiche di NIRSpec.
Il telescopio spaziale James Webb sarà il principale osservatorio di scienze spaziali al mondo quando verrà lanciato nel 2021. Webb risolverà i misteri del nostro sistema solare, guarderà oltre a mondi lontani attorno ad altre stelle e sonderà le misteriose strutture e origini del nostro universo e del nostro luogo dentro. Webb è un programma internazionale guidato dalla NASA con i suoi partner, ESA (European Space Agency) e Canadian Space Agency.
