С помощью квазаров телескоп Уэбба раскроет секреты ранней Вселенной

Обычно расположенные в центрах галактик, они питаются падающим веществом и испускают фантастические потоки излучения. Среди самых ярких объектов во Вселенной свет квазара превосходит свет всех звезд в его галактике вместе взятых, а его джеты и ветры формируют галактику, в которой он находится.

Вскоре после запуска в конце этого года группа ученых обучит космический телескоп НАСА Джеймса Уэбба исследованию 6 самых далеких и ярких квазаров. Они изучат свойства этих квазаров и их галактик, а также их связь между собой 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 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% от ее нынешнего возраста. Таким образом, эти наблюдения дают возможность изучить эволюцию галактик, а также образование и эволюцию сверхмассивных черных дыр в очень ранние времена», - пояснил Сантьяго Аррибас, профессор-исследователь кафедры астрофизики Центра астробиологии в Мадриде, Испания.

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 набору инструментов с инфракрасной настройкой Webb идеально подходит для изучения этого вида света.

Изучение квазаров, их галактик и окружающей среды

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 галактику такими механизмами, как 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 Уебба Канадского космического агентства. «Мы хотим наблюдать за квазарами в тот момент, когда они оказывают наибольшее влияние на свои галактики».

Когда сверхмассивная черная дыра накапливает материю, высвобождается огромное количество энергии. Эта энергия нагревает и выталкивает окружающий газ наружу, создавая сильные выбросы, которые разрывают межзвездное пространство, как цунами, нанося ущерб основной галактике.

Это играет важную роль в эволюции галактик. Газ способствует образованию звезд, поэтому, когда газ удаляется из-за оттока, скорость звездообразования снижается. В некоторых случаях утечки настолько мощны и вытесняют такое большое количество газа, что могут полностью остановить звездообразование в галактике. Ученые также считают, что отток является основным механизмом, с помощью которого газ, пыль и элементы перераспределяются на большие расстояния внутри галактики или даже могут быть выброшены в межгалактическую среду. Это может спровоцировать фундаментальные изменения свойств как родной галактики, так и межгалактической среды.

Исследование свойств межгалактического пространства в эпоху реионизации

Более 13 миллиардов лет назад, когда Вселенная была очень молодой, просматривалась она плохо. 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 спектроскопии изображений, они будут искать линии поглощения в промежуточном газе. Чем ярче квазар, тем сильнее будут линии поглощения в спектре. Определив, является ли газ нейтральным или ионизированным, ученые узнают, насколько нейтральна Вселенная и какая часть этого процесса реионизации произошла в конкретный момент времени.

«Если есть желание изучать Вселенную, необходимы источники очень яркого фона. Квазар - идеальный объект в далекой Вселенной, потому что он достаточно светлый и мы можем его четко видеть», - сказала Камилла Пацифичи, которая связана с Канадскиме 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 движется из галактик, в которых он изначально находился, в межгалактическую среду. Команда планирует измерить образование первых «металлов», а также то, как они выталкиваются в межгалактическую среду в результате 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, необходимые для наблюдения - одни 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 получить эти данные. Уэбб также обеспечивает отличное угловое разрешение, позволяя отделить свет квазара от его галактики.