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. Usualmente ubicados en el centro de las galaxias, se alimentan de la materia que cae y liberan fantásticas corrientes 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 distantes 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, en el universo temprano. El equipo también utilizará cuásares para examinar el gas en el espacio entre galaxias, particularmente durante el período de reionización cósmica, que terminó cuando el universo era muy joven. Lo harán utilizando la extrema sensibilidad de Webb a niveles bajos de luz y su 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 ionizara por completo o se volviera transparente, lo que eventualmente condujo a las condiciones «claras» detectadas en gran parte del universo hoy en día? El telescopio espacial James Webb observará profundamente 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

Mientras Webb mira hacia las profundidades del universo, en realidad mira 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, o menos del 6% de su edad actual. Por tanto, estas observaciones nos dan la oportunidad de estudiar la evolución de la galaxia y la formación y evolución de los agujeros negros supermasivos en aquellos tiempos muy antiguos ”, explicó el miembro del equipo Santiago Arribas, profesor investigador del Departamento de Astrofísica del Centro de Astrobiología de Madrid, España. Arribas también es miembro del equipo científico de instrumentos de espectrografía infrarroja cercana (NIRSpec) de Webb.

(Haga clic en la imagen para ver la infografía completa). El universo se está expandiendo y esta expansión extiende la luz viajando 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 de infrarrojos para ver la luz de las galaxias más antiguas y distantes. Crédito: NASA, ESA y L. Hustak (STSci)

La luz de estos objetos muy distantes se ha estirado por la expansión del espacio. Esto se conoce como corrimiento al rojo cosmológico. Cuanto más lejos tiene que viajar la luz, más se desplaza al rojo. De hecho, la luz visible emitida al comienzo del universo se estira tan dramáticamente que se desplaza al infrarrojo cuando nos alcanza. Con su variedad de instrumentos sintonizados por infrarrojos, Webb es especialmente adecuado para estudiar este tipo de luz.

Estudiar los cuásares, sus galaxias y entornos anfitriones, y sus poderosos flujos de salida.

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 las masas de agujeros negros más altas y también 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 están generando en sus núcleos debería conducir al mayor impacto en la galaxia anfitriona por mecanismos como el flujo de salida y el calentamiento del cuásar”, dijo Chris Willott, un científico investigador del Centro de Investigación Herzberg de Astronomía y Astrofísica del Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC) en Victoria, Columbia Británica. Willott es también científico del proyecto Webb de la Agencia Espacial Canadiense. «Queremos observar estos cuásares, ya que están teniendo el mayor impacto en sus galaxias anfitrionas».

Se libera una gran cantidad de energía cuando el agujero negro supermasivo agrega materia. Esta energía se calienta y empuja el gas circundante hacia afuera, generando fuertes flujos que viajan a través del espacio interestelar como un tsunami, causando estragos en la galaxia anfitriona.

Observe cómo los chorros y los vientos de un agujero negro supermasivo afectan a su 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 la galaxia. El gas alimenta la formación de estrellas, por lo que cuando se elimina el gas debido a una fuga, la tasa de formación de estrellas disminuye. En algunos casos, los flujos de salida son tan poderosos y arrojan grandes cantidades de gas que pueden detener por completo la formación de estrellas dentro de la galaxia anfitriona. Los científicos también piensan 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 las galaxias, el medio intergaláctico. Esto puede provocar cambios fundamentales en las propiedades de la galaxia anfitriona y el 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, la visión estaba lejos de ser clara. El gas neutro entre las galaxias hizo que el universo se volviera opaco a algunos tipos de luz. Durante cientos de millones de años, el gas neutro en el medio intergaláctico se cargó o ionizó, 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 analizará profundamente el espacio para recopilar 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, buscan líneas de absorción en el gas intermedio. Cuanto más brillante sea el quásar, más fuertes serán las características de la 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 tuvo lugar en ese momento en particular.

El telescopio espacial James Webb utilizará un instrumento innovador llamado unidad de campo integral (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 quásar 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 afiliada a la Agencia Espacial Canadiense pero trabaja como científica de instrumentos en el espacio. Instituto de Ciencias del Telescopio en Baltimore. «Queremos estudiar el universo temprano porque el universo evoluciona y queremos saber cómo comenzó».

El equipo analizará la luz de los cuásares con NIRSpec para buscar 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 en las primeras galaxias y fueron expulsados ​​por derrames. El gas sale de las galaxias en las que estaba originalmente y entra en el medio intergaláctico. El equipo planea medir la generación de estos primeros “metales”, así como cómo estos flujos iniciales los empujan hacia el medio intergaláctico.

El poder de Webb

Webb es un telescopio extremadamente sensible capaz de detectar niveles de luz muy bajos. Esto es importante porque, aunque los quásares son intrínsecamente muy brillantes, los que este equipo observará 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 exquisita sensibilidad de Webb se puede lograr esta ciencia. Webb también ofrece una excelente resolución angular, lo que permite separar 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 observatorio de ciencia espacial líder en el mundo cuando se lance en 2021. Webb resolverá misterios en nuestro sistema solar, verá más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas e investigará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y el nuestro. lugar de inicio. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.