Os quasares são buracos negros ativos, distantes e extremamente brilhantes, com uma massa de milhões a bilhões de vezes a massa do Sol. Normalmente localizados no centro das galáxias, eles se alimentam de matéria cadente e liberam fantásticas torrentes de radiação. Entre as coisas mais brilhantes do universo, a luz do quasar ilumina coletivamente todas as estrelas em sua galáxia hospedeira, e seus jatos e ventos moldam a galáxia em que reside.

Logo após seu lançamento, no final deste ano, uma equipe de cientistas treinará o Telescópio Espacial James Webb da NASA em seis dos quasares mais distantes e brilhantes. Eles vão estudar as propriedades desses quasares e de suas galáxias hospedeiras, e como eles estão interconectados durante os primeiros estágios da evolução galáctica no início do universo. A equipe também usará quasares para examinar gases no espaço intergaláctico, principalmente durante o período de reionização cósmica, que terminou quando o universo era muito jovem. Eles conseguirão isso com a extrema sensibilidade de Webb a baixos níveis de luz e impressionante resolução de ângulos.

(Clique na imagem para ver o diagrama completo.) Mais de 13 bilhões de anos atrás, durante a era da reionização, o universo era um lugar totalmente diferente. O gás intergaláctico era muito opaco para luz energética, tornando as galáxias jovens difíceis de observar. O que permitiu que o universo se tornasse completamente ionizado, ou transparente, o que acabou levando às condições “óbvias” detectadas na maior parte do universo hoje? O Telescópio Espacial James Webb mergulhará mais fundo no espaço para reunir mais informações sobre coisas que existiram durante a era da reionização para nos ajudar a compreender esta grande mudança na história do universo. Crédito: NASA, ESA e J.Kang (STScI)

Webb: Visitando o Universo Jovem

Enquanto Webb olha para as profundezas do universo, ele realmente olha para trás no tempo. A luz desses quasares distantes começou sua jornada para Webb quando o universo era muito jovem e levou bilhões de anos para chegar. Veremos as coisas como eram há muito tempo, não como são hoje.

“Todos esses quasares que estudamos existiam muito cedo, quando o universo tinha menos de 800 milhões de anos, ou menos de 6 por cento de sua idade atual. Portanto, essas observações nos dão a oportunidade de estudar a evolução das galáxias e a formação e a evolução dos buracos negros supermassivos nestes primeiros tempos. Muito ”, explicou o membro da equipe Santiago Arribas, Professor Pesquisador do Departamento de Astrofísica do Centro de Astrobiologia de Madri, Espanha. Arribas também é membro da equipe de ciência de instrumentos de espectrografia de infravermelho próximo (NIRSpec) de Webb.

(Clique na imagem para ver o diagrama completo.) O universo está se expandindo, e essa expansão estende a luz viajando pelo espaço em um fenômeno conhecido como redshift cósmico. Quanto maior for o desvio para o vermelho, maior será a distância percorrida pela luz. Como resultado, telescópios equipados com detectores infravermelhos são necessários para ver a luz da primeira e das galáxias mais distantes. Crédito: NASA, ESA e L. Hustak (STSci)

A luz desses objetos muito distantes foi esticada devido à expansão do espaço. Isso é conhecido como desvio para o vermelho cósmico. Quanto mais longe estiver a luz, maior será o desvio para o vermelho. Na verdade, a luz visível do universo primitivo é tão esticada que se transforma em radiação infravermelha quando chega até nós. Com uma série de instrumentos sintonizados em infravermelho, Webb é o único adequado para estudar esse tipo de luz.

O estudo de quasares, suas galáxias, seus ambientes hospedeiros e seus poderosos fluxos

Os quasares que a equipe vai estudar não estão apenas entre os mais distantes do universo, mas também entre os mais brilhantes. Esses quasares geralmente têm a maior massa de buracos negros e também as maiores taxas de acreção – as taxas nas quais o material cai nos buracos negros.

“Estamos interessados ​​em observar os quasares mais brilhantes porque a quantidade muito alta de energia que eles geram em seus núcleos deve levar ao maior impacto na galáxia hospedeira por meio de mecanismos como fluxo de quasar e aquecimento”, disse Chris. Willott, um cientista pesquisador do Centro de Pesquisa em Astronomia e Astrofísica Herzberg do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá (NRC) em Victoria, British Columbia. Willott também é cientista do projeto Webb da CSA. “Queremos observar esses quasares no momento em que eles têm o maior impacto nas galáxias hospedeiras.”

Uma grande quantidade de energia é liberada quando a matéria se acumula pelo buraco negro supermassivo. Esta energia aquece e empurra o gás circundante para fora, gerando fluxos poderosos que rasgam o espaço interestelar como um tsunami, causando estragos na galáxia hospedeira.

Observe como jatos e ventos de um buraco negro supermassivo afetam a galáxia hospedeira – e o espaço a centenas de milhares de anos-luz de distância ao longo de milhões de anos. Crédito: NASA, ESA e L. Hustak (STScI)

Outflows desempenham um papel importante na evolução das galáxias. O gás alimenta a formação de estrelas, portanto, quando o gás é removido devido a vazamentos, a taxa de formação de estrelas diminui. Em alguns casos, os fluxos de saída são tão poderosos que expelem grandes quantidades de gás que podem impedir completamente a formação de estrelas dentro da galáxia hospedeira. Os cientistas também acreditam que fluxos de saída são o principal mecanismo pelo qual gás, poeira e elementos são redistribuídos por grandes distâncias dentro da galáxia ou mesmo podem ser expulsos para o espaço intergaláctico – o meio intergaláctico. Isso poderia desencadear mudanças fundamentais nas propriedades da galáxia hospedeira e do meio intergaláctico.

Examinando as propriedades do espaço intergaláctico durante a era da reionização

Mais de 13 bilhões de anos atrás, quando o universo era muito jovem, a paisagem estava longe de ser clara. O gás neutro entre as galáxias tornou o universo opaco para alguns tipos de luz. Ao longo de centenas de milhões de anos, o gás neutro no meio intergaláctico tornou-se carregado ou ionizado, tornando-o transparente à luz ultravioleta. Este período é denominado era da reionização. Mas o que levou à reionização que criou as condições “óbvias” que são detectadas na maior parte do universo hoje? Webb mergulhará no espaço para reunir mais informações sobre essa grande transformação na história do universo. As observações nos ajudarão a entender a era da reionização, uma das grandes fronteiras da astrofísica.

A equipe usará quasares como fontes de luz de fundo para estudar o gás entre nós e o quasar. Este gás absorve a luz do quasar em comprimentos de onda específicos. Por meio de uma técnica chamada espectroscopia de imagem, eles procuram linhas de absorção no gás interferente. E quanto mais brilhante o quasar, mais fortes são as características da linha de absorção no espectro. Ao determinar se o gás é neutro ou ionizado, os cientistas aprenderão o quão neutro é o universo e quanto esse processo de reionização ocorre naquele ponto específico no tempo.

O Telescópio Espacial James Webb usará um instrumento inovador chamado Unidade de Campo Integrada (IFU) para capturar imagens e espectros ao mesmo tempo. Este vídeo fornece uma visão geral básica de como o IFU funciona. Crédito: NASA, ESA, CSA e L. Hustak (STScI)

“Se você quer estudar o universo, precisa de fontes de fundo muito brilhantes. Um quasar é a coisa perfeita no universo distante, porque é luminoso o suficiente”, disse a membro da equipe Camilla Pacifici, que é afiliada à Agência Espacial Canadense, mas trabalha como cientista de instrumentos no Space Telescope Science Institute. Portanto, podemos ver isso muito bem. Em Baltimore. “Queremos estudar o universo primitivo porque o universo está evoluindo e queremos saber como ele começou.”

A equipe analisará a luz proveniente dos quasares usando o NIRSpec para procurar o que os astrônomos chamam de “metais”, elementos mais pesados ​​que o hidrogênio e o hélio. Esses elementos formaram-se nas primeiras estrelas e primeiras galáxias e foram expulsos por fluxos de saída. O gás sai das galáxias nas quais estava originalmente localizado e vai para o meio intergaláctico. A equipe planeja medir a geração desses primeiros “metais”, bem como a maneira como estão sendo empurrados para o meio intergaláctico por esses fluxos iniciais.

Poder da web

Webb é um telescópio altamente sensível, capaz de detectar níveis muito baixos de luz. Isso é significativo porque, embora os quasares sejam intrinsecamente muito brilhantes, os que esta equipe observará estão entre os objetos mais distantes do universo. Na verdade, eles estão tão distantes que os sinais que Webb receberá são muito, muito baixos. Somente com a notável sensibilidade de Webb essa ciência pode ser realizada. Webb também oferece excelente resolução angular, o que torna possível separar a luz do quasar de sua galáxia hospedeira.

Os programas de quasar descritos aqui são Notas de tempo garantido envolvendo as capacidades espectrais do NIRSpec.

O Telescópio Espacial James Webb será o principal observatório de ciências espaciais do mundo quando for lançado em 2021. Webb vai resolver os mistérios do nosso sistema solar, olhar além para mundos distantes ao redor de outras estrelas e sondar as misteriosas estruturas e origens do universo e nosso lugar nele. Webb é um programa internacional liderado pela NASA com seus parceiros ESA (European Space Agency) e a Canadian Space Agency.