Το τηλεσκόπιο Webb της NASA θα κοιτάξει πίσω στο χρόνο, χρησιμοποιώντας κβάζαρ για να αποκαλύψει τα μυστικά του πρώιμου σύμπαντος

Τα κβάζαρ είναι εξαιρετικά φωτεινά, μακρινά, ενεργά μαύρες τρύπες με μάζα εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου. Συνήθως βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών, τρέφονται με την πτώση της ύλης και απελευθερώνουν φανταστικούς χείμαρρους ακτινοβολίας. Μεταξύ των πιο φωτεινών πραγμάτων στο σύμπαν, το φως κβάζαρ φωτίζει συλλογικά όλα τα αστέρια στον γαλαξία του ξενιστή του και οι πίδακες και οι άνεμοι του διαμορφώνουν τον γαλαξία στον οποίο κατοικεί.

Λίγο μετά την κυκλοφορία του αργότερα φέτος, μια ομάδα επιστημόνων θα εκπαιδεύσει το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb της NASA σε έξι από τα πιο απομακρυσμένα και φωτεινότερα κβάζαρ. Θα μελετήσουν τις ιδιότητες αυτών των κβάζαρ και τους γαλαξίες ξενιστές τους και πώς διασυνδέονται κατά τα πρώτα στάδια της γαλαξιακής εξέλιξης στο πολύ πρώιμο σύμπαν. Η ομάδα θα χρησιμοποιήσει επίσης κβάζαρ για να εξετάσει το αέριο στο διαγαλαξιακό χώρο, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια της κοσμικής περιόδου ιονισμού, η οποία έληξε όταν το σύμπαν ήταν πολύ νέο. Θα το επιτύχουν με την εξαιρετική ευαισθησία του Webb σε χαμηλά επίπεδα φωτισμού και εντυπωσιακή ανάλυση γωνίας.

(Κάντε κλικ στην εικόνα για να δείτε το πλήρες διάγραμμα.) Πάνω από 13 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, κατά την εποχή του ιονικοποίησης, το σύμπαν ήταν εντελώς διαφορετικό μέρος. Το διαγαλαξιακό αέριο ήταν πολύ αδιαφανές για ενεργητικό φως, κάνοντας τους νέους γαλαξίες δύσκολο να παρατηρηθούν. Τι επέτρεψε στο σύμπαν να γίνει πλήρως ιονισμένο, ή διαφανές, το οποίο τελικά οδήγησε στις «προφανείς» συνθήκες που εντοπίστηκαν στο μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος σήμερα; Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb θα εμβαθύνει βαθύτερα στο διάστημα για να συγκεντρώσει περισσότερες πληροφορίες σχετικά με πράγματα που ήταν γύρω από την εποχή του ιονισμού για να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε αυτήν τη σημαντική αλλαγή στην ιστορία του σύμπαντος. Πίστωση: NASA, ESA και J.Kang (STScI)

Webb: Επίσκεψη στο Νέο Σύμπαν

Καθώς ο Webb κοιτάζει τα βάθη του σύμπαντος, θα κοιτάξει πίσω στο χρόνο. Το φως από αυτά τα μακρινά κβάζαρ ξεκίνησε το ταξίδι του στο Webb όταν το σύμπαν ήταν πολύ νέο και χρειάστηκε δισεκατομμύρια χρόνια για να φτάσει. Θα δούμε τα πράγματα όπως ήταν παλιά, όχι όπως είναι σήμερα.

“Όλα αυτά τα κβάζαρ που μελετάμε υπήρχαν πολύ νωρίς, όταν το σύμπαν ήταν κάτω των 800 εκατομμυρίων ετών ή λιγότερο από το 6 τοις εκατό της τρέχουσας εποχής του. Έτσι, αυτές οι παρατηρήσεις μας δίνουν την ευκαιρία να μελετήσουμε την εξέλιξη των γαλαξιών και τον σχηματισμό και εξέλιξη των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών σε αυτές τις πρώτες εποχές. Πολύ », εξήγησε το μέλος της ομάδας Santiago Arribas, Καθηγητής Ερευνών στο Τμήμα Αστροφυσικής στο Κέντρο Αστροβιολογίας στη Μαδρίτη της Ισπανίας. Ο Arribas είναι επίσης μέλος της Ομάδας Επιστήμης Όργανο Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec).

(Κάντε κλικ στην εικόνα για να δείτε το πλήρες διάγραμμα.) Το σύμπαν επεκτείνεται και αυτή η επέκταση εκτείνεται στο φως που ταξιδεύει μέσα στο διάστημα σε ένα φαινόμενο γνωστό ως κοσμική ερυθρή μετατόπιση. Όσο μεγαλύτερη είναι η κόκκινη αλλαγή, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση που διανύει το φως. Ως αποτέλεσμα, τα τηλεσκόπια που είναι εξοπλισμένα με ανιχνευτές υπερύθρων είναι απαραίτητα για να δουν φως από τους πρώτους και απόμακρους γαλαξίες. Πίστωση: NASA, ESA και L. Hustak (STSci)

Το φως από αυτά τα πολύ μακρινά αντικείμενα έχει τεντωθεί λόγω της επέκτασης του χώρου. Αυτό είναι γνωστό ως κοσμική ερυθρή αλλαγή. Όσο πιο μακριά το φως, τόσο μεγαλύτερη είναι η κόκκινη αλλαγή. Στην πραγματικότητα, το ορατό φως από το πρώιμο σύμπαν τεντώνεται τόσο πολύ που μετατρέπεται σε υπέρυθρη ακτινοβολία όταν φτάνει σε μας. Με μια σειρά οργάνων συντονισμένων σε υπέρυθρες, το Webb είναι μοναδικά κατάλληλο για τη μελέτη αυτού του τύπου φωτός.

Η μελέτη των κβάζαρ, οι γαλαξίες τους, τα περιβάλλοντα υποδοχής τους, και οι ισχυρές ροές τους

Τα κβάζαρ που θα μελετήσει η ομάδα δεν είναι μόνο μεταξύ των πιο απομακρυσμένων στον κόσμο, αλλά και μεταξύ των πιο λαμπρών. Αυτά τα κβάζαρ έχουν συνήθως την υψηλότερη μάζα μαύρων οπών και έχουν επίσης τα υψηλότερα ποσοστά αύξησης – τους ρυθμούς με τους οποίους το υλικό πέφτει σε μαύρες τρύπες.

«Μας ενδιαφέρει να παρατηρήσουμε τα λαμπρότερα κβάζαρ, επειδή η πολύ υψηλή ποσότητα ενέργειας που παράγουν στους πυρήνες τους θα πρέπει να οδηγήσει στον μεγαλύτερο αντίκτυπο στον γαλαξία-ξενιστή μέσω μηχανισμών όπως η ροή και η θέρμανση του κβάζαρ», δήλωσε ο Chris. Ο Willott, ερευνητής στο Κέντρο Έρευνας Αστρονομίας και Αστροφυσικής του Herzberg του Εθνικού Συμβουλίου Έρευνας του Καναδά (NRC) στη Βικτώρια της Βρετανικής Κολομβίας. Ο Willott είναι επίσης ο Webb Project Scientist του CSA. “Θέλουμε να παρατηρήσουμε αυτά τα κβάζαρ τη στιγμή που έχουν το μεγαλύτερο αντίκτυπο στους γαλαξίες του ξενιστή.”

Μια τεράστια ποσότητα ενέργειας απελευθερώνεται όταν η ύλη συσσωρεύεται από την υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. Αυτή η ενέργεια θερμαίνεται και ωθεί το περιβάλλον αέριο προς τα έξω, προκαλώντας ισχυρές εκροές που διασχίζουν τον διαστρικό χώρο σαν τσουνάμι, προκαλώντας καταστροφή στον γαλαξία του ξενιστή.

Παρακολουθήστε πώς τα αεριωθούμενα αεροπλάνα και οι άνεμοι από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα επηρεάζουν τον γαλαξία του ξενιστή – και χώρο εκατοντάδες χιλιάδες έτη φωτός μακριά για εκατομμύρια χρόνια. Πίστωση: NASA, ESA και L. Hustak (STScI)

Οι εκροές διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη των γαλαξιών. Το αέριο τροφοδοτεί τον σχηματισμό αστεριών, οπότε όταν το αέριο απομακρύνεται λόγω εκροών, μειώνεται ο ρυθμός σχηματισμού αστεριών. Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι εκροές είναι τόσο ισχυρές που αποβάλλουν τόσο μεγάλες ποσότητες αερίου που μπορούν να σταματήσουν εντελώς τον σχηματισμό αστεριών μέσα στον γαλαξία του ξενιστή. Οι επιστήμονες πιστεύουν επίσης ότι οι εκροές είναι ο κύριος μηχανισμός με τον οποίο το αέριο, η σκόνη και τα στοιχεία αναδιανέμονται σε μεγάλες αποστάσεις εντός του γαλαξία ή ακόμη και μπορούν να αποβληθούν σε διαγαλαξιακό χώρο – το διαγαλαξιακό μέσο. Αυτό θα μπορούσε να προκαλέσει θεμελιώδεις αλλαγές στις ιδιότητες του γαλαξία-ξενιστή και του διαγαλαξιακού μέσου.

Εξέταση των ιδιοτήτων του διαγαλαξιακού χώρου κατά την εποχή του ιονισμού

Πάνω από 13 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, όταν το σύμπαν ήταν πολύ νέο, το τοπίο δεν ήταν καθόλου καθαρό. Το ουδέτερο αέριο μεταξύ γαλαξιών έχει κάνει το σύμπαν αδιαφανές σε ορισμένους τύπους φωτός. Πάνω από εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, το ουδέτερο αέριο στο διαγαλαξιακό μέσο έχει φορτιστεί ή ιονιστεί, καθιστώντας το διαφανές στο υπεριώδες φως. Αυτή η περίοδος ονομάζεται εποχή επαναπροσδιορισμού. Αλλά τι οδήγησε στον επαναπροσδιορισμό που δημιούργησε τις «προφανείς» συνθήκες που εντοπίζονται στο μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος σήμερα; Το Webb θα εξερευνήσει χώρο για να συγκεντρώσει περισσότερες πληροφορίες σχετικά με αυτόν τον σημαντικό μετασχηματισμό στην ιστορία του σύμπαντος. Οι παρατηρήσεις θα μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε την εποχή του ιονισμού, ένα από τα σημαντικότερα σύνορα της αστροφυσικής.

Η ομάδα θα χρησιμοποιήσει τα κβάζαρ ως πηγές φωτός υποβάθρου για να μελετήσει το αέριο μεταξύ μας και του κβάζαρ. Αυτό το αέριο απορροφά το φως κβάζαρ σε συγκεκριμένα μήκη κύματος. Μέσω μιας τεχνικής που ονομάζεται φασματοσκοπία απεικόνισης, θα αναζητήσουν γραμμές απορρόφησης στο παρεμβαλλόμενο αέριο. Και όσο πιο φωτεινό είναι το κβάζαρ, τόσο ισχυρότερα είναι αυτά τα χαρακτηριστικά της γραμμής απορρόφησης στο φάσμα. Καθορίζοντας εάν το αέριο είναι ουδέτερο ή ιονισμένο, οι επιστήμονες θα μάθουν πόσο ουδέτερο είναι το σύμπαν και πόσο αυτή η διαδικασία επανα-ιονισμού συμβαίνει σε αυτό το συγκεκριμένο χρονικό σημείο.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb θα χρησιμοποιήσει ένα καινοτόμο όργανο που ονομάζεται Integrated Field Unit (IFU) για τη λήψη εικόνων και φασμάτων ταυτόχρονα. Αυτό το βίντεο παρέχει μια βασική επισκόπηση του τρόπου λειτουργίας της IFU. Πίστωση: NASA, ESA, CSA και L. Hustak (STScI)

“Αν θέλετε να μελετήσετε το σύμπαν, χρειάζεστε πολύ φωτεινές πηγές υποβάθρου”, δήλωσε το μέλος της ομάδας Camilla Pacifici, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με τον Καναδικό Διαστημικό Οργανισμό, αλλά εργάζεται ως επιστήμονας οργάνων στο Επιστημονικό Ινστιτούτο Διαστημικού Τηλεσκοπίου. στο μακρινό σύμπαν, επειδή είναι αρκετά φωτεινό ώστε να μπορούμε να το δούμε πολύ καλά. Στη Βαλτιμόρη. «Θέλουμε να μελετήσουμε το πρώιμο σύμπαν επειδή το σύμπαν εξελίσσεται και θέλουμε να μάθουμε πώς ξεκίνησε».

Η ομάδα θα αναλύσει το φως που προέρχεται από τα κβάζαρ χρησιμοποιώντας το NIRSpec για να αναζητήσει αυτό που οι αστρονόμοι αποκαλούν “μέταλλα”, στοιχεία βαρύτερα από το υδρογόνο και το ήλιο. Αυτά τα στοιχεία σχηματίστηκαν στα πρώτα αστέρια και τους πρώτους γαλαξίες και εκδιώχθηκαν από εκροές. Το αέριο κινείται από τους γαλαξίες στους οποίους αρχικά βρισκόταν και στο διαγαλαξιακό μέσο. Η ομάδα σχεδιάζει να μετρήσει την παραγωγή αυτών των πρώτων «μετάλλων», καθώς και τον τρόπο με τον οποίο ωθούνται στο διαγαλαξιακό μέσο από αυτές τις πρώτες εκροές.

Ισχύς Ιστού

Το Webb είναι ένα πολύ ευαίσθητο τηλεσκόπιο ικανό να ανιχνεύει πολύ χαμηλά επίπεδα φωτός. Αυτό είναι σημαντικό, επειδή αν και τα κβάζαρ είναι εγγενώς πολύ φωτεινά, αυτά που θα παρατηρήσει αυτή η ομάδα είναι από τα πιο απομακρυσμένα αντικείμενα του σύμπαντος. Στην πραγματικότητα, είναι τόσο μακριά που τα σήματα που θα λάβει το Webb είναι πολύ, πολύ χαμηλά. Μόνο με την αξιοσημείωτη ευαισθησία του Webb μπορεί να επιτευχθεί αυτή η επιστήμη. Το Webb παρέχει επίσης εξαιρετική γωνιακή ανάλυση, η οποία καθιστά δυνατό τον διαχωρισμό του φωτός του κβάζαρ από τον γαλαξία του.

Τα προγράμματα κβάζαρ που περιγράφονται εδώ είναι Εγγυημένες σημειώσεις χρόνου που περιλαμβάνει τις φασματοσκοπικές δυνατότητες του NIRSpec.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb θα είναι το κορυφαίο παρατηρητήριο διαστημικής επιστήμης στον κόσμο όταν θα κυκλοφορήσει το 2021. Το Webb θα λύσει τα μυστήρια του ηλιακού μας συστήματος, θα κοιτάξει πέρα ​​από μακρινούς κόσμους γύρω από άλλα αστέρια και θα διερευνήσει τις μυστηριώδεις δομές και τις ρίζες του σύμπαντος και η θέση μας σε αυτό. Το Webb είναι ένα διεθνές πρόγραμμα με επικεφαλής τη NASA με τους συνεργάτες της ESA (European Space Agency) και τον Καναδικό Διαστημικό Οργανισμό.