Quasars zijn de helderste objecten in het universum en behoren tot de meest energieke. Ze overtreffen hele sterrenstelsels van miljarden sterren. Een superzwaar zwart gat ligt in het hart van elke quasar, maar niet elk zwart gat is een quasar. Alleen de zwarte gaten die zich het meest vraatzuchtig voeden, kunnen een quasar aandrijven. Materiaal dat in het superzware zwarte gat valt, warmt op, en zorgt ervoor dat een quasar fel over het universum schijnt als een vuurtorenbaken.

Hoewel bekend is dat quasars zich in de centra van sterrenstelsels bevinden, het was moeilijk te zeggen hoe die sterrenstelsels eruitzien en hoe ze zich verhouden tot sterrenstelsels zonder quasars. De uitdaging is dat de schittering van de quasar het moeilijk of onmogelijk maakt om het licht van het omringende sterrenstelsel te ontwijken. Het is alsof je rechtstreeks in de koplamp van een auto kijkt en probeert te achterhalen aan welk soort auto het is bevestigd.

Een nieuwe studie suggereert dat NASA's James Webb Space Telescope, gepland voor lancering in 2021, ondanks hun kleine afmetingen en verduisterend stof de gaststelsels van enkele verre quasars kunnen onthullen.

"We willen weten in wat voor soort sterrenstelsels deze quasars leven. Dat kan ons helpen vragen te beantwoorden als:hoe kunnen zwarte gaten zo snel zo groot worden? Is er een verband tussen de massa van het sterrenstelsel en de massa van het zwarte gat, zoals we die in het nabije universum zien?" zei hoofdauteur Madeline Marshall van de Universiteit van Melbourne in Australië, die haar werk uitvoerde binnen het ARC Center of Excellence in All Sky Astrophysics in 3 Dimensions.

Het beantwoorden van deze vragen is om verschillende redenen een uitdaging. Vooral, hoe verder weg een sterrenstelsel is, hoe meer het licht is uitgerekt tot langere golflengten door de uitdijing van het heelal. Als resultaat, ultraviolet licht van de accretieschijf van het zwarte gat of de jonge sterren van de melkweg wordt verschoven naar infrarode golflengten.

In een recente studie, astronomen gebruikten de nabij-infraroodmogelijkheden van NASA's Hubble-ruimtetelescoop om bekende quasars te bestuderen in de hoop de omringende gloed van hun gastheerstelsels te zien, zonder noemenswaardige detecties. Dit suggereert dat stof in de sterrenstelsels het licht van hun sterren verduistert. De infrarooddetectoren van Webb kunnen door het stof heen kijken en de verborgen sterrenstelsels blootleggen.

"Hubble gaat gewoon niet ver genoeg het infrarood in om de gaststerrenstelsels te zien. Dit is waar Webb echt zal uitblinken, " zei Rogier Windhorst van de Arizona State University in Tempe, een co-auteur van de Hubble-studie.

Om te bepalen wat Webb naar verwachting zal zien, het team gebruikte een ultramoderne computersimulatie genaamd BlueTides, ontwikkeld door een team onder leiding van Tiziana Di Matteo aan de Carnegie Mellon University in Pittsburgh, Pennsylvania.

"BlueTides is ontworpen om de vorming en evolutie van sterrenstelsels en quasars in de eerste miljard jaar van de geschiedenis van het universum te bestuderen. Het grote kosmische volume en de hoge ruimtelijke resolutie stellen ons in staat om die zeldzame quasar-hosts op statistische basis te bestuderen, " zei Yueying Ni van de Carnegie Mellon University, die de BlueTides-simulatie heeft uitgevoerd. BlueTides komt goed overeen met de huidige waarnemingen en stelt astronomen in staat te voorspellen wat Webb zou moeten zien.

Het team ontdekte dat de sterrenstelsels die quasars huisvesten, meestal kleiner waren dan gemiddeld, die slechts ongeveer 1/30 van de diameter van de Melkweg beslaat, ondanks dat het bijna net zoveel massa bevat als ons melkwegstelsel. "De gaststerrenstelsels zijn verrassend klein in vergelijking met het gemiddelde sterrenstelsel op dat moment, ’ zei Marshall.

De sterrenstelsels in de simulatie hadden ook de neiging om snel sterren te vormen, tot 600 keer sneller dan de huidige stervormingssnelheid in de Melkweg. "We ontdekten dat deze systemen erg snel groeien. Ze zijn als vroegrijpe kinderen - ze doen alles al vroeg, ", legt co-auteur Di Matteo uit.

Het team gebruikte deze simulaties vervolgens om te bepalen wat de camera's van Webb zouden zien als het observatorium deze verre systemen zou bestuderen. Ze ontdekten dat het mogelijk zou zijn om het gaststelsel van de quasar te onderscheiden, hoewel het nog steeds een uitdaging is vanwege de kleine omvang van de melkweg aan de hemel.

"Webb zal de mogelijkheid bieden om deze zeer verre gaststelsels voor de eerste keer te observeren, ’ zei Marshall.

Ze hebben ook overwogen wat de spectrografen van Webb uit deze systemen zouden kunnen halen. Spectrale onderzoeken, die binnenkomend licht splitst in zijn samenstellende kleuren of golflengten, zou de chemische samenstelling van het stof in deze systemen kunnen onthullen. Door te leren hoeveel zware elementen ze bevatten, kunnen astronomen hun geschiedenis van stervorming begrijpen, aangezien de meeste chemische elementen in sterren worden geproduceerd.

Webb zou ook kunnen bepalen of de gaststerrenstelsels geïsoleerd zijn of niet. De Hubble-studie wees uit dat de meeste quasars detecteerbare begeleidende sterrenstelsels hadden, maar kon niet bepalen of die sterrenstelsels echt dichtbij waren of dat het toevallige superposities zijn. Webb's spectrale mogelijkheden stellen astronomen in staat om de roodverschuivingen te meten, en dus afstanden, van die schijnbare begeleidende sterrenstelsels om te bepalen of ze zich op dezelfde afstand als de quasar bevinden.

uiteindelijk, De observaties van Webb moeten nieuwe inzichten opleveren in deze extreme systemen. Astronomen hebben nog steeds moeite om te begrijpen hoe een zwart gat in slechts een miljard jaar kan groeien tot een miljard keer zoveel als onze zon. "Deze grote zwarte gaten zouden niet zo vroeg moeten bestaan, omdat ze niet genoeg tijd hebben gehad om zo groot te worden. " zei co-auteur Stuart Wyithe van de Universiteit van Melbourne.

Toekomstige quasar-onderzoeken zullen ook worden gevoed door synergieën tussen meerdere toekomstige observatoria. Infraroodonderzoeken met de Euclid-missie van de European Space Agency, evenals het op de grond gebaseerde Vera C. Rubin Observatorium, een National Science Foundation/Department of Energy-faciliteit die momenteel in aanbouw is op Cerro Pachón in de Atacama-woestijn in Chili. Beide observatoria zullen het aantal bekende verre quasars aanzienlijk vergroten. Die nieuw ontdekte quasars zullen vervolgens door Hubble en Webb worden onderzocht om nieuwe inzichten te krijgen in de beginjaren van het universum.