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 затмевает свет всех звезд в его родительской галактике вместе взятых, а его струи и ветры формируют галактику, в которой он находится.
Источники: НАСА, ЕКА и Дж. Олмстед (STScI).
Вскоре после запуска в конце этого года группа ученых обучит космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА 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.
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 изучить эволюцию галактик, а также образование и эволюцию сверхмассивных черных дыр в очень ранние времена », – пояснил член группы Сантьяго Аррибас, профессор-исследователь кафедры астрофизики Центра астробиологии в Мадриде, Испания. Аррибас также является членом группы по изучению приборов в ближнем инфракрасном диапазоне ( NIRSpec ) Уэбба .
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, настолько сильно растягивается, 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, являются не только одними из самых далеких во Вселенной, но и одними из самых ярких. У этих квазаров обычно самые высокие массы черных дыр, а также самые высокие темпы аккреции – скорости, с которой 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 Виллотт, научный сотрудник Центра астрономических и астрофизических исследований 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».
Космические цунами
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.
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 молодой, 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 эпоху 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 насколько этот процесс реионизации произошел в этот конкретный момент времени.
«Если вы хотите изучать Вселенную, вам нужны очень яркие источники фона. Квазар – идеальный объект в далекой Вселенной, потому что он достаточно светящийся, 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», то есть элементами тяжелее водорода и гелия. Эти элементы образовались в первых звездах и первых галактиках и изгнаны потоками. Газ выходит 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, несмотря на то, что 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 сигналы, которые получит Уэбб, будут очень и очень низкими. Только с исключительной чувствительностью Уэбба можно их исследовавть. Уэбб также обеспечивает отличное угловое разрешение, позволяя отделить свет квазара от его родительской галактики.
Описанные здесь квазарные программы – это гарантированные временные 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 ней. Webb – это международная программа, которую возглавляет НАСА вместе со своими партнерами, ЕКА (Европейское космическое агентство) и Канадским космическим агентством.
Недавно ученые обнаружили шторм древней сверхмассивной черной дыры
