Questo è il concetto artistico di una galassia con un brillante quasar al centro. Un quasar è molto luminoso, buco nero supermassiccio distante e attivo che è da milioni a miliardi di volte la massa del Sole. Tra gli oggetti più luminosi dell'universo, la luce di un quasar eclissa quella di tutte le stelle nella sua galassia ospite messe insieme. I quasar si nutrono di materia in caduta e scatenano torrenti di venti e radiazioni, plasmare 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)
I quasar sono molto luminosi, buchi neri supermassicci distanti e attivi che sono da milioni a miliardi di volte la massa del Sole. Tipicamente situato al centro delle galassie, si nutrono di materia in caduta libera e scatenano fantastici torrenti di radiazioni. Tra gli oggetti più luminosi dell'universo, la luce di un quasar eclissa 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 alla 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 furono interconnessi durante le prime fasi dell'evoluzione delle galassie nell'universo primordiale. Il team utilizzerà anche i quasar per esaminare il gas nello spazio tra le galassie, in particolare durante il periodo della reionizzazione cosmica, che terminò 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.
Webb:Visitare l'universo giovane
Mentre Webb scruta in profondità nell'universo, in realtà guarderà indietro nel tempo. La luce di questi lontani quasar iniziò il suo viaggio verso Webb quando l'universo era molto giovane, e ci sono voluti miliardi di anni per arrivare. Vedremo le cose come erano tanto 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, un professore di ricerca presso il Dipartimento di Astrofisica del Centro di Astrobiologia di Madrid, Spagna. Arribas è anche membro del Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) Instrument Science Team di Webb.
La luce di questi oggetti molto distanti è stata allungata dall'espansione dello spazio. Questo è noto come redshift cosmologico. Più lontano deve viaggiare la luce, più è redshift. Infatti, 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 accordati a infrarossi, 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 brillanti. Questi quasar hanno tipicamente le masse di buco nero più alte, e hanno anche i più alti tassi di accrescimento, i tassi con cui il materiale cade nei buchi neri.
"Siamo interessati ad 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 detto 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 galassie che li ospitano".
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, scatenando il caos nella galassia ospite.
I flussi in uscita giocano un ruolo importante nell'evoluzione delle galassie. Il gas alimenta la formazione delle stelle, quindi quando il gas viene rimosso a causa di deflussi, il tasso di formazione stellare diminuisce. In alcuni casi, i deflussi sono così potenti ed espellono così grandi quantità di gas che possono fermare completamente la formazione stellare all'interno della galassia ospite. Gli scienziati pensano anche che i deflussi siano il meccanismo principale attraverso il quale il gas, la polvere e gli 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.
Esaminando le proprietà dello spazio intergalattico durante l'era della reionizzazione
Più di 13 miliardi di anni fa, quando l'universo era molto giovane, la vista era tutt'altro che chiara. Il gas neutro tra le galassie ha reso l'universo opaco ad alcuni tipi di luce. In 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 linee di assorbimento nel gas intermedio. 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 sia neutrale l'universo e quanto di questo processo di reionizzazione si sia verificato in quel particolare momento.
"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 detto il membro del team Camilla Pacifici, che è affiliato con l'Agenzia spaziale canadese ma lavora come scienziato degli strumenti presso lo Space Telescope Science Institute di Baltimora. "Vogliamo studiare l'universo primordiale perché l'universo si evolve, e vogliamo sapere come è iniziata".
Il team analizzerà la luce proveniente dai quasar con NIRSpec per cercare ciò 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 si sposta dalle galassie in cui si trovava originariamente e nel mezzo intergalattico. Il team prevede di misurare il generazione di questi primi "metalli, " così come il modo in cui vengono spinti fuori 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. Infatti, sono così distanti che i segnali che riceverà Webb sono molto, molto basso. 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 qui descritti sono osservazioni a tempo garantito che coinvolgono le capacità spettroscopiche di NIRSpec.
