Телескоп Уэбба НАСА оглянется во времени и использует квазары, чтобы раскрыть секреты ранней Вселенной
Это художественная концепция галактики с блестящим квазаром в центре. Квазар - очень яркая, далекая и активная сверхмассивная черная дыра, масса которой в миллионы или миллиарды раз превышает массу Солнца. Среди самых ярких объектов во Вселенной свет квазара превосходит свет всех звезд в его родительской галактике, вместе взятых. Квазары питаются падающей материей и выпускают потоки ветра и излучения, формируя галактики, в которых они обитают. Используя уникальные возможности Уэбба, ученые изучат шесть самых далеких и ярких квазаров во Вселенной. Предоставлено: НАСА, ЕКА и Дж. Олмстед (STScI).
Оглядываясь назад, Уэбб увидит квазары такими, какими они были миллиарды лет назад.
Затмевая все звезды в своих родительских галактиках вместе взятых, квазары являются одними из самых ярких объектов во Вселенной. Эти блестящие, далекие и активные сверхмассивные черные дыры формируют галактики, в которых они находятся. Вскоре после его запуска ученые будут использовать Уэбба для изучения шести самых далеких и ярких квазаров вместе с их родительскими галактиками в очень молодой Вселенной. Они изучат, какую роль квазары играют в эволюции галактик в эти ранние времена. Команда также будет использовать квазары для изучения газа в пространстве между галактиками в молодой Вселенной. Это станет возможным только благодаря чрезвычайной чувствительности Уэбба к низким уровням света и его превосходному угловому разрешению.
Квазары - это очень яркие, далекие и активные сверхмассивные черные дыры, масса которых в миллионы или миллиарды раз превышает массу Солнца. Обычно расположенные в центрах галактик, они питаются падающей материей и испускают фантастические потоки излучения. Среди самых ярких объектов во Вселенной свет квазара превосходит свет всех звезд в его родительской галактике вместе взятых, а его струи и ветры формируют галактику, в которой он находится.
Вскоре после его запуска в этом году группа ученых обучит космический телескоп НАСА Джеймса Уэбба исследованию шести самых далеких и ярких квазаров. Они изучат свойства этих квазаров и их родительских галактик, а также то, как они взаимосвязаны на первых этапах эволюции галактик в очень ранней Вселенной. Команда также будет использовать квазары для исследования газа в пространстве между галактиками, особенно в период космической реионизации, который закончился, когда Вселенная была очень молодой. Они добьются этого, используя исключительную чувствительность Уэбба к низким уровням света и его превосходное угловое разрешение.
(Щелкните изображение, чтобы увидеть полную инфографику.) Более 13 миллиардов лет назад, в эпоху реионизации, Вселенная была совсем другим местом. Газ между галактиками был в значительной степени непрозрачен для яркого света, что затрудняло наблюдение молодых галактик. Что позволило Вселенной стать полностью ионизированной или прозрачной, что в конечном итоге привело к «чистым» условиям, обнаруженным сегодня в большей части Вселенной? Космический телескоп Джеймса Уэбба заглянет вглубь космоса, чтобы собрать больше информации об объектах, существовавших в эпоху реионизации, чтобы помочь нам понять этот важный переход в истории Вселенной. Предоставлено: НАСА, ЕКА и Дж. Канг (STScI).
Уэбб: Посещение молодой Вселенной
Когда Уэбб заглядывает вглубь Вселенной, он действительно оглядывается назад во времени. Свет от этих далеких квазаров начал свой путь к Уэббу, когда Вселенная была очень молодой, и на то, чтобы добраться до нее, потребовались миллиарды лет. Мы увидим вещи такими, какими они были давным-давно, а не такими, какие они есть сегодня.
«Все эти квазары, которые мы изучаем, существовали очень рано, когда Вселенной было менее 800 миллионов лет, или менее 6 процентов от ее нынешнего возраста. Таким образом, эти наблюдения дают нам возможность изучать эволюцию галактик, а также образование и эволюцию сверхмассивных черных дыр в эти очень ранние времена», — объяснил член команды Сантьяго Аррибас, профессор-исследователь отдела астрофизики Центра астробиологии в Нью-Йорке. Мадрид, Испания. Аррибас также является членом научной группы Уэбба по спектрографу ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec).
(Щелкните изображение, чтобы увидеть полную инфографику.) Вселенная расширяется, и это расширение растягивает свет, путешествующий в космосе, что является явлением, известным как космологическое красное смещение. Чем больше красное смещение, тем большее расстояние прошел свет. В результате необходимы телескопы с инфракрасными детекторами, чтобы видеть свет первых, самых далеких галактик. Предоставлено: НАСА, ЕКА И Л. Хустак (STSci).
Свет от этих очень далеких объектов был растянут в результате расширения пространства. Это известно как космологическое красное смещение. Чем дальше должен пройти свет, тем больше он смещен в красную сторону. Фактически, видимый свет, излучаемый ранней Вселенной, растягивается настолько сильно, что, достигая нас, смещается в инфракрасный диапазон. Благодаря своему набору инструментов с инфракрасной настройкой Webb идеально подходит для изучения этого вида света.
Изучение квазаров, их родительских галактик и окружающей среды, а также их мощных истоков
Квазары, которые будет изучать команда, будут не только одними из самых далеких во Вселенной, но и одними из самых ярких. Эти квазары обычно имеют самые высокие массы черных дыр, а также самые высокие темпы аккреции - скорости, с которыми материал падает в черные дыры.
«Мы заинтересованы в наблюдении самых ярких квазаров, потому что очень большое количество энергии, которую они генерируют в своих ядрах, должно привести к сильнейшему воздействию на родительскую галактику такими механизмами, как истечение и нагрев квазаров», - сказал Крис Уиллотт, научный сотрудник Исследовательского центра астрономии и астрофизики Герцберга Национального исследовательского совета Канады (NRC) в Виктории, Британская Колумбия. Уиллотт также является исследователем проекта Вебба Канадского космического агентства. «Мы хотим наблюдать за этими квазарами в тот момент, когда они оказывают наибольшее влияние на свои родительские галактики».
Когда сверхмассивная черная дыра накапливает материю, высвобождается огромное количество энергии. Эта энергия нагревает и выталкивает окружающий газ наружу, создавая сильные оттоки, которые разрывают межзвездное пространство, как цунами, нанося ущерб основной галактике.
Посмотрите, как джеты и ветры сверхмассивной черной дыры влияют на ее родительскую галактику - и на пространство в сотнях тысяч световых лет от нас в течение миллионов лет. Предоставлено: НАСА, ЕКА и Л. Хустак (STScI).
Оттоки играют важную роль в эволюции галактик. Газ способствует образованию звезд, поэтому, когда газ удаляется из-за утечек, скорость звездообразования снижается. В некоторых случаях истечения настолько мощны и вытесняют такое большое количество газа, что они могут полностью остановить звездообразование в родительской галактике. Ученые также считают, что истечения являются основным механизмом, с помощью которого газ, пыль и элементы перераспределяются на большие расстояния внутри галактики или даже могут быть выброшены в пространство между галактиками - межгалактическую среду. Это может спровоцировать фундаментальные изменения свойств как родительской галактики, так и межгалактической среды.
Исследование свойств межгалактического пространства в эпоху реионизации
Более 13 миллиардов лет назад, когда Вселенная была очень молода, вид был далеко не ясным. Нейтральный газ между галактиками сделал Вселенную непрозрачной для некоторых типов света. За сотни миллионов лет нейтральный газ в межгалактической среде стал заряженным или ионизированным, что сделало его прозрачным для ультрафиолетового света. Этот период называется эрой реионизации. Но что привело к реионизации, которая создала «чистые» условия, обнаруженные сегодня в большей части Вселенной? Уэбб заглянет вглубь космоса, чтобы собрать больше информации об этом важном переходе в истории Вселенной. Наблюдения помогут нам понять Эру реионизации, которая является одним из ключевых рубежей в астрофизике.
Команда будет использовать квазары в качестве фоновых источников света для изучения газа между нами и квазаром. Этот газ поглощает свет квазара на определенных длинах волн. С помощью метода, называемого спектроскопией изображений, они будут искать линии поглощения в промежуточном газе. Чем ярче квазар, тем сильнее будут эти линии поглощения в спектре. Определив, является ли газ нейтральным или ионизированным, ученые узнают, насколько нейтральна Вселенная и какая часть этого процесса реионизации произошла в этот конкретный момент времени.
Космический телескоп Джеймса Уэбба будет использовать инновационный инструмент, называемый интегральным полевым блоком (IFU), для одновременного захвата изображений и спектров. Это видео дает общий обзор того, как работает IFU. Предоставлено: НАСА, ЕКА, CSA и Л. Хустак (STScI).
«Если вы хотите изучать Вселенную, вам нужны очень яркие источники фона. Квазар - идеальный объект в далекой Вселенной, потому что он достаточно светлый, чтобы мы могли его очень хорошо видеть », - сказала член команды Камилла Пасифика, которая связана с Канадским космическим агентством, но работает специалистом по приборам в Научном институте космического телескопа. в Балтиморе. «Мы хотим изучить раннюю Вселенную, потому что Вселенная эволюционирует, и мы хотим знать, как она возникла».
Команда проанализирует свет, исходящий от квазаров, с помощью NIRSpec, чтобы найти то, что астрономы называют «металлами», которые являются элементами тяжелее водорода и гелия. Эти элементы образовались в первых звездах и первых галактиках и изгнаны потоками. Газ движется из галактик, в которых он изначально находился, в межгалактическую среду. Команда планирует измерить образование этих первых «металлов», а также то, как они выталкиваются в межгалактическую среду в результате этих ранних оттоков.
Сила Уэбба
Уэбб - чрезвычайно чувствительный телескоп, способный обнаруживать очень низкие уровни света. Это важно, потому что, хотя квазары по своей природе очень яркие, те, которые эта команда собирается наблюдать, являются одними из самых далеких объектов во Вселенной. Фактически, они настолько далеки, что Уэбб будет получать очень и очень слабые сигналы. Только с исключительной чувствительностью Уэбба можно достичь этой науки. Уэбб также обеспечивает отличное угловое разрешение, позволяя отделить свет квазара от его родительской галактики.
Описанные здесь квазарные программы: Гарантированное время наблюдения с использованием спектроскопических возможностей NIRSpec.
Космический телескоп Джеймса Уэбба станет главной в мире обсерваторией космической науки, когда он будет запущен в 2021 году. Уэбб будет разгадывать загадки нашей Солнечной системы, заглядывать в далекие миры вокруг других звезд и исследовать загадочные структуры и происхождение нашей Вселенной и нашего места. в этом. Webb - это международная программа, которую возглавляет НАСА вместе со своими партнерами, ЕКА (Европейское космическое агентство) и Канадское космическое агентство.
