Este es el concepto de un artista de una galaxia con una estrella quásar brillante en su centro. Un quásar es un agujero negro supermasivo muy brillante, distante y activo con una masa de millones a miles de millones de veces la masa del sol. Entre las cosas más brillantes del universo, la luz de un quásar es superior a la luz de todas las estrellas de su galaxia anfitriona combinadas. Los quásares se alimentan de la materia que cae y liberan torrentes de viento y radiación, formando las galaxias en las que residen. Usando las habilidades únicas de Webb, los científicos estudiarán seis de los cuásares más distantes y brillantes del universo. Crédito: NASA, ESA y J. Olmsted (STScI)
Los quásares eclipsan a todas las estrellas en sus galaxias anfitrionas combinadas, y se encuentran entre las cosas más brillantes del universo. Estos agujeros negros supermasivos activos, distantes y brillantes forman las galaxias en las que viven. Poco después de su lanzamiento, los científicos utilizarán Webb para estudiar seis de los cuásares más brillantes y distantes, junto con sus galaxias anfitrionas, en el universo muy joven. Examinarán el papel que jugaron los cuásares en la evolución de las galaxias durante estos primeros tiempos. El equipo también utilizará cuásares para estudiar el gas en el espacio intergaláctico en el universo infantil. Solo con la extrema sensibilidad de Webb a los niveles bajos de luz y la excelente resolución de ángulo, esto sería posible.
Los quásares son agujeros negros extremadamente brillantes, distantes y activos con una masa de millones a miles de millones de veces la masa del Sol. Por lo general, se encuentran en el centro de las galaxias, se alimentan de la materia que cae y liberan fantásticos torrentes de radiación. Entre las cosas más brillantes del universo, la luz de cuásar ilumina colectivamente todas las estrellas en su galaxia anfitriona, y sus chorros y vientos dan forma a la galaxia en la que reside.
Poco después de su lanzamiento a finales de este año, un equipo de científicos entrenará al telescopio espacial James Webb de la NASA en seis de los cuásares más distantes y brillantes. Estudiarán las propiedades de estos quásares y sus galaxias anfitrionas, y cómo están interconectados durante las primeras etapas de la evolución galáctica en el universo temprano. El equipo también utilizará cuásares para examinar el gas en el espacio intergaláctico, particularmente durante el período de reionización cósmica, que terminó cuando el universo era muy joven. Lo lograrán con la extrema sensibilidad de Webb a niveles bajos de luz y una resolución de ángulo impresionante.
(Haga clic en la imagen para ver el diagrama completo.) Hace más de 13 mil millones de años, durante la era de la reionización, el universo era un lugar completamente diferente. El gas intergaláctico era demasiado opaco para la luz energética, lo que dificultaba la observación de las galaxias jóvenes. ¿Qué permitió que el universo se volviera completamente ionizado o transparente, lo que eventualmente condujo a las condiciones “obvias” detectadas en la mayor parte del universo actual? El telescopio espacial James Webb profundizará en el espacio para recopilar más información sobre cosas que existieron durante la era de la reionización para ayudarnos a comprender este cambio importante en la historia del universo. Crédito: NASA, ESA y J.Kang (STScI)
Webb: Visitando el universo joven
Mientras Webb mira a las profundidades del universo, en realidad estará mirando hacia atrás en el tiempo. La luz de estos cuásares distantes comenzó su viaje a Webb cuando el universo era muy joven y tardó miles de millones de años en llegar. Veremos las cosas como eran hace mucho tiempo, no como son hoy.
“Todos estos cuásares que estudiamos existieron muy temprano, cuando el universo tenía menos de 800 millones de años, o menos del 6 por ciento de su edad actual. Así que estas observaciones nos dan la oportunidad de estudiar la evolución de las galaxias y la formación y la evolución de los agujeros negros supermasivos en estos primeros tiempos. Mucho ”, explicó el miembro del equipo Santiago Arribas, profesor de investigación del Departamento de Astrofísica del Centro de Astrobiología de Madrid, España. Arribas también es miembro del equipo científico de instrumentos del espectrógrafo infrarrojo cercano (NIRSpec) de Webb.
(Haga clic en la imagen para ver el diagrama completo). El universo se está expandiendo, y esta expansión extiende la luz que viaja a través del espacio en un fenómeno conocido como corrimiento al rojo cósmico. Cuanto mayor es el corrimiento al rojo, mayor es la distancia recorrida por la luz. Como resultado, los telescopios equipados con detectores de infrarrojos son necesarios para ver la luz de la primera y la más lejana galaxias. Crédito: NASA, ESA y L. Hustak (STSci)
La luz de estos objetos muy distantes se ha estirado debido a la expansión del espacio. Esto se conoce como corrimiento al rojo cósmico. Cuanto más lejos esté la luz, mayor será el corrimiento al rojo. De hecho, la luz visible del universo primitivo se estira tanto que se convierte en radiación infrarroja cuando nos alcanza. Con una variedad de instrumentos sintonizados en infrarrojos, Webb es especialmente adecuado para estudiar este tipo de luz.
El estudio de los cuásares, sus galaxias, sus entornos anfitriones y sus poderosas corrientes.
Los quásares que estudiará el equipo no solo se encuentran entre los más distantes del universo, sino también entre los más brillantes. Estos cuásares suelen tener la masa más alta de agujeros negros y también tienen las tasas de acreción más altas: las tasas a las que el material cae en los agujeros negros.
“Estamos interesados en observar los cuásares más brillantes porque la gran cantidad de energía que generan en sus núcleos debería conducir al mayor impacto en la galaxia anfitriona a través de mecanismos como el flujo de cuásares y el calentamiento”, dijo Chris. Willott, científico investigador del Centro de Investigación de Astronomía y Astrofísica Herzberg del Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC) en Victoria, Columbia Británica. Willott también es el científico del proyecto Webb de la CSA. “Queremos observar estos cuásares en el momento en que tengan el mayor impacto en las galaxias anfitrionas”.
Se libera una gran cantidad de energía cuando la materia se acumula en el agujero negro supermasivo. Esta energía se calienta y empuja el gas circundante hacia afuera, generando poderosos flujos de salida que atraviesan el espacio interestelar como un tsunami, causando estragos en la galaxia anfitriona.
Observe cómo los chorros y vientos de un agujero negro supermasivo afectan a la galaxia anfitriona y al espacio a cientos de miles de años luz de distancia durante millones de años. Crédito: NASA, ESA y L. Hustak (STScI)
Los flujos de salida juegan un papel importante en la evolución de las galaxias. El gas alimenta la formación de estrellas, por lo que cuando se elimina el gas debido a los flujos de salida, la tasa de formación de estrellas disminuye. En algunos casos, los flujos de salida son tan poderosos que expulsan cantidades tan grandes de gas que pueden detener por completo la formación de estrellas dentro de la galaxia anfitriona. Los científicos también creen que los flujos de salida son el mecanismo principal por el cual el gas, el polvo y los elementos se redistribuyen a grandes distancias dentro de la galaxia o incluso pueden ser expulsados al espacio intergaláctico, el medio intergaláctico. Esto podría desencadenar cambios fundamentales en las propiedades tanto de la galaxia anfitriona como del medio intergaláctico.
Examinando las propiedades del espacio intergaláctico durante la era de la reionización
Hace más de 13 mil millones de años, cuando el universo era muy joven, el paisaje estaba lejos de ser claro. El gas neutro entre galaxias ha hecho que el universo sea opaco a algunos tipos de luz. Durante cientos de millones de años, el gas neutro en el medio intergaláctico se ha cargado o ionizado, haciéndolo transparente a la luz ultravioleta. Este período se llama la era de la reionización. Pero, ¿qué llevó a la reionización que creó las condiciones “obvias” que se detectan hoy en la mayor parte del universo? Webb se adentrará en el espacio para recopilar más información sobre esta gran transformación en la historia del universo. Las observaciones nos ayudarán a comprender la era de la reionización, una de las principales fronteras de la astrofísica.
El equipo utilizará cuásares como fuentes de luz de fondo para estudiar el gas entre nosotros y el cuásar. Este gas absorbe luz de cuásar en longitudes de onda específicas. Mediante una técnica llamada espectroscopia de imágenes, buscarán líneas de absorción en el gas interferente. Y cuanto más brillante es el quásar, más fuertes son las características de la línea de absorción en el espectro. Al determinar si el gas es neutro o ionizado, los científicos aprenderán qué tan neutral es el universo y cuánto ocurre este proceso de reionización en ese momento en particular.
El telescopio espacial James Webb utilizará un instrumento innovador llamado Unidad de campo integrado (IFU) para capturar imágenes y espectros al mismo tiempo. Este video proporciona una descripción general básica de cómo funciona la IFU. Crédito: NASA, ESA, CSA y L. Hustak (STScI)
“Si quieres estudiar el universo, necesitas fuentes de fondo muy brillantes. Un cuásar es lo perfecto en el universo distante, porque es lo suficientemente luminoso”, dijo Camilla Pacifici, miembro del equipo, que está afiliada a la Agencia Espacial Canadiense pero trabaja como científico de instrumentos en el Space Telescope Science Institute. Así que podemos verlo muy bien. En Baltimore. “Queremos estudiar el universo temprano porque el universo está evolucionando y queremos saber cómo comenzó”.
El equipo analizará la luz proveniente de los cuásares utilizando NIRSpec para buscar lo que los astrónomos llaman “metales”, elementos más pesados que el hidrógeno y el helio. Estos elementos se formaron en las primeras estrellas y primeras galaxias y fueron expulsados por flujos de salida. El gas sale de las galaxias en las que se encontraba originalmente y entra en el medio intergaláctico. El equipo planea medir la generación de estos primeros “metales”, así como la forma en que están siendo empujados al medio intergaláctico por estos primeros flujos de salida.
Poder web
Webb es un telescopio de alta sensibilidad capaz de detectar niveles de luz muy bajos. Esto es significativo, porque aunque los quásares son intrínsecamente muy brillantes, los que observará este equipo se encuentran entre los objetos más distantes del universo. De hecho, están tan lejos que las señales que recibirá Webb son muy, muy bajas. Solo con la notable sensibilidad de Webb se puede lograr esta ciencia. Webb también proporciona una excelente resolución angular, lo que hace posible separar la luz del quásar de su galaxia anfitriona.
Los programas de cuásar descritos aquí son Notas de tiempo garantizadas que involucran las capacidades espectrales de NIRSpec.
El telescopio espacial James Webb será el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo cuando se lance en 2021. Webb resolverá los misterios de nuestro sistema solar, verá más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes del universo y nuestro lugar en ella. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.
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