Dit is een artistiek concept van een melkwegstelsel met een heldere quasarster in het midden. Een quasar is een zeer helder, ver en actief superzwaar zwart gat met een massa van miljoenen tot miljarden keren de massa van de zon. Een van de helderste dingen in het universum is dat het licht van een quasar superieur is aan het licht van alle sterren in zijn gastheerstelsel samen. Quasars voeden zich met vallende materie en ontketenen stromen van wind en straling, waardoor de sterrenstelsels worden gevormd waarin ze zich bevinden. Met behulp van Webb’s unieke vaardigheden zullen wetenschappers zes van de meest afgelegen en heldere quasars in het universum bestuderen. Krediet: NASA, ESA en J. Olmsted (STScI)
Quasars overtreffen alle sterren in hun gaststelsels samen en behoren tot de helderste dingen in het universum. Deze heldere, verre, actieve superzware zwarte gaten vormen de sterrenstelsels waarin ze leven. Kort na de lancering zullen wetenschappers Webb gebruiken om zes van de helderste en meest afgelegen quasars te bestuderen, samen met hun gastheerstelsels, in het zeer jonge universum. Ze zullen de rol onderzoeken die quasars speelden in de evolutie van sterrenstelsels in deze vroege tijden. Het team zal ook quasars gebruiken om gas in de intergalactische ruimte in het babyuniversum te bestuderen. Alleen met de extreme gevoeligheid van Webb voor weinig licht en een uitstekende hoekresolutie zou dit mogelijk zijn.
Quasars zijn extreem heldere, verre, actieve zwarte gaten met een massa van miljoenen tot miljarden keren de massa van de zon. Meestal bevinden ze zich in de centra van sterrenstelsels, ze voeden zich met vallende materie en ontketenen fantastische stromen straling. Een van de helderste dingen in het universum, quasarlicht verlicht gezamenlijk alle sterren in zijn gastmelkweg, en zijn stralen en winden vormen de melkweg waarin het zich bevindt.
Kort na de lancering later dit jaar zal een team van wetenschappers NASA’s James Webb Space Telescope trainen op zes van de meest verre en helderste quasars. Ze zullen de eigenschappen van deze quasars en hun gastheerstelsels bestuderen, en hoe ze met elkaar verbonden zijn tijdens de vroege stadia van galactische evolutie in het zeer vroege heelal. Het team zal ook quasars gebruiken om gas in de intergalactische ruimte te onderzoeken, vooral tijdens de periode van kosmische reïonisatie, die eindigde toen het universum nog heel jong was. Ze zullen dit bereiken met Webb’s extreme gevoeligheid voor weinig licht en een indrukwekkende hoekresolutie.
(Klik op de afbeelding om het volledige diagram te zien.) Meer dan 13 miljard jaar geleden, tijdens het tijdperk van reïonisatie, was het universum een heel andere plaats. Het intergalactische gas was te ondoorzichtig voor energetisch licht, waardoor jonge sterrenstelsels moeilijk waarneembaar waren. Wat zorgde ervoor dat het universum volledig geïoniseerd of transparant werd, wat uiteindelijk leidde tot de “voor de hand liggende” omstandigheden die tegenwoordig in het grootste deel van het universum worden gedetecteerd? De James Webb-ruimtetelescoop zal dieper in de ruimte graven om meer informatie te verzamelen over dingen die bestonden tijdens het tijdperk van reïonisatie om ons te helpen deze belangrijke verschuiving in de geschiedenis van het universum te begrijpen. Krediet: NASA, ESA en J.Kang (STScI)
Webb: Een bezoek aan het jonge universum
Terwijl Webb naar de diepten van het universum kijkt, kijkt hij eigenlijk terug in de tijd. Het licht van deze verre quasars begon zijn reis naar Webb toen het universum nog erg jong was en er miljarden jaren over deed om het te bereiken. We zullen de dingen zien zoals ze lang geleden waren, niet zoals ze nu zijn.
“Al deze quasars die we bestuderen, bestonden al heel vroeg, toen het universum minder dan 800 miljoen jaar oud was, of minder dan 6 procent van zijn huidige leeftijd. Deze waarnemingen geven ons dus de mogelijkheid om de evolutie van sterrenstelsels en de vorming van sterrenstelsels te bestuderen. en evolutie van superzware zwarte gaten in deze vroege tijden. Heel veel, “verklaarde teamlid Santiago Arribas, onderzoeksprofessor aan de afdeling Astrofysica van het Centrum voor Astrobiologie in Madrid, Spanje. Arribas is ook lid van Webb’s Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) Instrument Science Team.
(Klik op de afbeelding om het volledige diagram te zien.) Het heelal breidt zich uit, en deze uitdijing rekt het licht dat door de ruimte reist uit in een fenomeen dat bekend staat als kosmische roodverschuiving. Hoe groter de roodverschuiving, hoe groter de afstand die het licht aflegt. Als gevolg hiervan zijn telescopen die zijn uitgerust met infrarooddetectoren nodig om licht van de eerste en verste sterrenstelsels te zien. Krediet: NASA, ESA en L. Hustak (STSci)
Het licht van deze zeer verre objecten is uitgerekt door de uitdijing van de ruimte. Dit staat bekend als de kosmische roodverschuiving. Hoe verder weg het licht, hoe groter de roodverschuiving. In feite wordt zichtbaar licht uit het vroege heelal zo uitgerekt dat het in infraroodstraling verandert wanneer het ons bereikt. Met een reeks instrumenten die zijn afgestemd op infrarood, is Webb bij uitstek geschikt om dit type licht te bestuderen.
De studie van quasars, hun sterrenstelsels, hun gastheeromgevingen en hun krachtige stromen
De quasars die het team gaat bestuderen, behoren niet alleen tot de meest afgelegen in het universum, maar ook tot de helderste. Deze quasars hebben meestal de hoogste massa zwarte gaten, en ze hebben ook de hoogste accretiesnelheden – de snelheden waarmee materiaal in zwarte gaten valt.
“We zijn geïnteresseerd in het observeren van de helderste quasars omdat de zeer hoge hoeveelheid energie die ze in hun kernen genereren, zou moeten leiden tot de grootste impact op het gaststelsel door mechanismen zoals quasarstroom en verwarming”, zei Chris. Willott, een onderzoekswetenschapper bij het Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Center van de National Research Council (NRC) van Canada in Victoria, British Columbia. Willott is ook de Webb Project Scientist van de CSA. “We willen deze quasars observeren op het moment dat ze de grootste impact hebben op de gaststerrenstelsels.”
Bij het ophopen van materie door het superzware zwarte gat komt een enorme hoeveelheid energie vrij. Deze energie warmt op en duwt het omringende gas naar buiten, waardoor krachtige uitstromen ontstaan die als een tsunami door de interstellaire ruimte scheuren en verwoesting veroorzaken in het gaststelsel.
Kijk hoe jets en winden van een superzwaar zwart gat het gaststelsel beïnvloeden – en de ruimte honderdduizenden lichtjaren verwijderd over miljoenen jaren. Krediet: NASA, ESA en L. Hustak (STScI)
Uitstromen spelen een belangrijke rol in de evolutie van sterrenstelsels. Gas voedt stervorming, dus wanneer gas wordt verwijderd als gevolg van uitstroom, neemt de snelheid van stervorming af. In sommige gevallen zijn de uitstromen zo krachtig dat ze zulke grote hoeveelheden gas uitstoten dat ze de stervorming in het gaststelsel volledig kunnen stoppen. Wetenschappers geloven ook dat uitstroom het belangrijkste mechanisme is waarmee gas, stof en elementen over grote afstanden binnen de melkweg worden herverdeeld of zelfs in de intergalactische ruimte kunnen worden verdreven – het intergalactische medium. Dit kan leiden tot fundamentele veranderingen in de eigenschappen van zowel het gaststelsel als het intergalactische medium.
Onderzoek naar de eigenschappen van de intergalactische ruimte tijdens het tijdperk van reïonisatie
Meer dan 13 miljard jaar geleden, toen het heelal nog heel jong was, was het landschap verre van duidelijk. Het neutrale gas tussen sterrenstelsels heeft het heelal ondoorzichtig gemaakt voor sommige soorten licht. Gedurende honderden miljoenen jaren is het neutrale gas in het intergalactische medium geladen of geïoniseerd geraakt, waardoor het transparant is geworden voor ultraviolet licht. Deze periode wordt het tijdperk van de reïonisatie genoemd. Maar wat leidde tot de reïonisatie die de “voor de hand liggende” omstandigheden creëerde die tegenwoordig in het grootste deel van het universum worden gedetecteerd? Webb zal de ruimte induiken om meer informatie te verzamelen over deze grote transformatie in de geschiedenis van het universum. De waarnemingen zullen ons helpen het tijdperk van reïonisatie te begrijpen, een van de belangrijkste grenzen in de astrofysica.
Het team zal quasars gebruiken als achtergrondlichtbronnen om het gas tussen ons en de quasar te bestuderen. Dit gas absorbeert quasarlicht op specifieke golflengten. Via een techniek die beeldspectroscopie wordt genoemd, gaan ze op zoek naar absorptielijnen in het interfererende gas. En hoe helderder de quasar, hoe sterker die absorptielijnkenmerken in het spectrum. Door te bepalen of het gas neutraal of geïoniseerd is, leren wetenschappers hoe neutraal het universum is en in hoeverre dit reïonisatieproces op dat specifieke moment plaatsvindt.
De James Webb Space Telescope zal een innovatief instrument gebruiken, een Integrated Field Unit (IFU) genaamd, om tegelijkertijd beelden en spectra vast te leggen. Deze video geeft een basisoverzicht van hoe de IFU werkt. Krediet: NASA, ESA, CSA en L. Hustak (STScI)
“Als je het universum wilt bestuderen, heb je zeer heldere achtergrondbronnen nodig. Een quasar is het perfecte ding in het verre universum, omdat het licht genoeg is”, zegt teamlid Camilla Pacifici, die is aangesloten bij de Canadian Space Agency maar werkt als instrumentwetenschapper bij het Space Telescope Science Institute. Dus we kunnen het heel goed zien. In Baltimore. “We willen het vroege universum bestuderen omdat het universum evolueert, en we willen weten hoe het begon.”
Het team zal het licht van de quasars analyseren met behulp van NIRSpec om te zoeken naar wat astronomen ‘metalen’ noemen, elementen die zwaarder zijn dan waterstof en helium. Deze elementen vormden zich in de eerste sterren en eerste sterrenstelsels en werden verdreven door uitstromen. Het gas beweegt uit de sterrenstelsels waarin het zich oorspronkelijk bevond en in het intergalactische medium. Het team is van plan om de generatie van deze eerste ‘metalen’ te meten, evenals de manier waarop ze door deze vroege uitstroom in het intergalactische medium worden geduwd.
Webkracht
Webb is een zeer gevoelige telescoop die zeer lage lichtniveaus kan detecteren. Dit is belangrijk, want hoewel quasars intrinsiek zeer helder zijn, behoren de quasars die dit team zal waarnemen tot de meest verre objecten in het universum. In feite zijn ze zo ver weg dat de signalen die Webb zal ontvangen heel, heel laag zijn. Alleen met de opmerkelijke gevoeligheid van Webb kan deze wetenschap worden bereikt. Webb biedt ook een uitstekende hoekresolutie, wat het mogelijk maakt om het licht van de quasar te scheiden van het gaststelsel.
De hier beschreven quasar-programma’s zijn: Gegarandeerde tijdnotities waarbij de spectrale mogelijkheden van NIRSpec betrokken zijn.
De James Webb Space Telescope wordt ’s werelds belangrijkste ruimtewetenschappelijke observatorium wanneer hij in 2021 wordt gelanceerd. Webb zal de mysteries van ons zonnestelsel oplossen, verder kijken naar verre werelden rond andere sterren en de mysterieuze structuren en oorsprong van het universum onderzoeken en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma onder leiding van NASA met haar partners ESA (European Space Agency) en de Canadian Space Agency.
