Los quásares son agujeros negros supermasivos muy brillantes, distantes y activos que tienen 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 materia en caída libre y liberan fantásticos torrentes de radiación. Entre los objetos más brillantes del universo, la luz de un quásar supera a la de todas las estrellas de su galaxia anfitriona combinadas, 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 lejanos y brillantes. Estudiarán las propiedades de estos cuásares y sus galaxias anfitrionas, y cómo están interconectados durante las primeras etapas de la evolución de las galaxias al comienzo del universo. El equipo también utilizará los cuásares para examinar el gas en el espacio entre galaxias, especialmente durante el período de reionización cósmica, que terminó cuando el universo era muy joven. Lo conseguirán utilizando la extrema sensibilidad de Webb a niveles bajos de luz y una excelente resolución angular.

(Haga clic en la imagen para ver la infografía completa). Hace más de 13 mil millones de años, durante la Era de la Reionización, el universo era un lugar muy diferente. El gas entre las galaxias era en gran parte opaco a la luz energética, lo que dificultaba la observación de galaxias jóvenes. ¿Qué permitió que el universo se volviera completamente ionizado o transparente, lo que finalmente condujo a las condiciones «claras» detectadas en gran parte del universo actual? El telescopio espacial James Webb escaneará profundamente en el espacio para recopilar más información sobre los objetos que existieron durante la Era de la Reionización para ayudarnos a comprender esta importante transición en la historia del universo. Crédito: NASA, ESA y J. Kang (STScI)

Webb: Visitando el universo joven

A medida que Webb escanea profundamente el 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 estamos estudiando existían muy temprano, cuando el universo tenía menos de 800 millones de años, menos del 6% de su edad actual. Por tanto, estas observaciones nos dan la oportunidad de estudiar la evolución de las galaxias y la formación y evolución de los agujeros negros supermasivos en estos tiempos tan remotos ”, explicó Santiago Arribas, miembro del equipo, profesor e investigador del Departamento de Astrofísica del Centro. para Astrobiología en Madrid, España. Arribas también es miembro del equipo científico de instrumentos del Espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) de Webb.

(Haga clic en la imagen para ver la infografía completa.) 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 cosmológico. Cuanto mayor es el corrimiento al rojo, mayor es la distancia recorrida por la luz. Como resultado, se necesitan telescopios con detectores infrarrojos para ver la luz de las primeras galaxias más distantes. Crédito: NASA, ESA, ET L. Hustak (STSci)

La luz de estos objetos muy distantes se ha estirado por la expansión del espacio. Esto se llama corrimiento al rojo cosmológico. Cuanto más lejos tiene que viajar la luz, más rojo se desplaza. De hecho, la luz visible emitida al comienzo del universo está tan estirada que se desplaza hacia el infrarrojo cuando nos alcanza. Con su conjunto de instrumentos ajustables por infrarrojos, Webb se adapta particularmente bien al estudio de este tipo de luz.

Estudiar los quásares, sus galaxias y entornos de acogida, y sus poderosos flujos de salida.

Los quásares que estudiará el equipo no solo son algunos de los más distantes del universo, sino también algunos de los más brillantes. Estos cuásares suelen tener las masas de agujeros negros más altas y también tienen las tasas de acreción más altas, las tasas a las que la materia cae en los agujeros negros.

«Estamos interesados ​​en observar los cuásares más brillantes, porque se espera que la gran cantidad de energía que generan en su núcleo cause el mayor impacto en la galaxia anfitriona a través de mecanismos como la salida y el calentamiento de los cuásares», dijo Chris Willott, un investigador del Centro de Investigación Herzberg en Astronomía y Astrofísica del Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC) en Victoria, Columbia Británica. Willott también es el científico del Proyecto Webb de la Agencia Espacial Canadiense. «Queremos observar estos cuásares cuando tienen el mayor impacto en las galaxias que los albergan».

Se libera una enorme cantidad de energía cuando el agujero negro supermasivo acumula materia. Esta energía se calienta y empuja el gas circundante hacia afuera, generando fuertes flujos que desgarran 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 su galaxia anfitriona y al espacio cientos de miles de años luz durante millones de años. Crédito: NASA, ESA y L. Hustak (STScI)

Los flujos salientes juegan un papel importante en la evolución de las galaxias. El gas alimenta la formación de estrellas, por lo que cuando el gas se retira debido a los flujos, la tasa de formación de estrellas disminuye. En algunos casos, los flujos de salida son tan poderosos y expulsan tal cantidad de gas que pueden detener por completo la formación de estrellas en 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 entre galaxias: el intergaláctico medio. Esto puede provocar cambios fundamentales en las propiedades de la galaxia anfitriona y el medio intergaláctico.

Examen de las propiedades del espacio intergaláctico en el momento de la reionización.

Hace más de 13 mil millones de años, cuando el universo era muy joven, la vista estaba lejos de ser clara. El gas neutro entre galaxias ha hecho que el universo sea opaco a ciertos tipos de luz. Durante cientos de millones de años, el gas neutro del 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 «claras» detectadas en gran parte del universo actual? Webb escaneará profundamente en el espacio para obtener más información sobre esta importante transición en la historia del universo. Las observaciones nos ayudarán a comprender la era de la reionización, que es 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 la luz del cuásar en longitudes de onda específicas. Usando una técnica llamada espectroscopia de imágenes, buscarán líneas de absorción en el gas intermedio. Cuanto más brillante sea el quásar, más fuertes serán estas características de línea de absorción en el espectro. Al determinar si el gas es neutral o ionizado, los científicos aprenderán qué tan neutral es el universo y cuánto de este proceso de reionización ocurrió en ese momento preciso.

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 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 el objeto perfecto en el universo distante porque es lo suficientemente brillante como para que podamos verlo muy bien ”, dijo Camilla Pacifici, miembro del equipo, que está afiliado a la Agencia Espacial Canadiense pero trabaja como especialista en instrumentos en la Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial. en Baltimore. «Queremos estudiar el universo temprano porque el universo está evolucionando y queremos saber cómo empezó».

El equipo analizará la luz procedente de los cuásares con NIRSpec para encontrar lo que los astrónomos llaman «metales», que son elementos más pesados ​​que el hidrógeno y el helio. Estos elementos se formaron en las primeras estrellas y las primeras galaxias y fueron expulsados ​​por los flujos. El gas sale de las galaxias en las que se encontró originalmente y entra en el medio intergaláctico. El equipo planea medir la generación de estos «metales» tempranos, así como también cómo son empujados al ambiente intergaláctico por estos lanzamientos tempranos.

El poder de Webb

Webb es un telescopio extremadamente sensible capaz de detectar niveles de luz muy bajos. Esto es importante, porque si bien los quásares son inherentemente muy brillantes, los que este equipo observará son algunos de los objetos más distantes del universo. De hecho, están tan separados que las señales que recibirá Webb son muy, muy débiles. Es solo con la exquisita sensibilidad de Webb que se puede lograr esta ciencia. Webb también ofrece una excelente resolución angular, lo que permite desenredar la luz del cuásar de su galaxia anfitriona.

Los programas de cuásar descritos aquí son Observaciones de tiempo garantizado que involucran las capacidades espectroscópicas de NIRSpec.

El telescopio espacial James Webb será el primer observatorio de ciencia espacial 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 de nuestro universo y nuestro lugar. en eso. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.