Onderzoekers die NASA's aankomende James Webb Space Telescope gebruiken, zullen de kern van het nabijgelegen sterrenstelsel Centaurus A in kaart brengen en modelleren.

Centaurus A is een reus van een sterrenstelsel, maar de verschijningen ervan in telescoopwaarnemingen kunnen bedrieglijk zijn. Donkere stofbanen en jonge blauwe sterrenhopen, die het centrale gebied doorkruisen, zijn zichtbaar in ultraviolet, zichtbaar, en nabij-infrarood licht, het schilderen van een vrij ingetogen landschap. Maar door over te schakelen naar röntgen- en radiolichtweergaven, een veel rauwer tafereel begint zich te ontvouwen:vanuit de kern van het misvormde elliptische sterrenstelsel, Er zijn spectaculaire materiaalstralen uitgebarsten uit zijn actieve superzware zwarte gat - bekend als een actieve galactische kern - en hebben materiaal de ruimte in gestuurd tot ver buiten de grenzen van de melkweg.

Wat, precies, gebeurt er in de kern om al deze activiteit te veroorzaken? Aankomende waarnemingen onder leiding van Nora Lützgendorf en Macarena García Marín van de European Space Agency met behulp van NASA's James Webb Space Telescope zullen onderzoekers voor het eerst door de stoffige kern in hoge resolutie laten kijken om deze vragen te beantwoorden.

"Er gebeurt zoveel in Centaurus A, " legt Lützgendorf uit. "Het gas van de melkweg, schijf, en sterren bewegen allemaal onder invloed van het centrale superzware zwarte gat. Omdat de melkweg zo dicht bij ons is, we kunnen Webb gebruiken om tweedimensionale kaarten te maken om te zien hoe het gas en de sterren bewegen in het centrale gebied, hoe ze worden beïnvloed door de jets van de actieve galactische kern, en uiteindelijk de massa van zijn zwarte gat beter te karakteriseren."

Een snelle terugblik

Laten we op "terugspoelen" drukken om een ​​beetje te bekijken van wat al bekend is over Centaurus A. Het is goed bestudeerd omdat het relatief dichtbij is - ongeveer 13 miljoen lichtjaar verwijderd - wat betekent dat we het volledige sterrenstelsel duidelijk kunnen oplossen. Het eerste record ervan werd geregistreerd in het midden van de 19e eeuw, maar astronomen verloren hun interesse tot de jaren vijftig omdat de melkweg een stille, indien misvormd, elliptisch sterrenstelsel. Toen onderzoekers in de jaren 40 en 50 konden beginnen met waarnemen met radiotelescopen, Centaurus A werd radicaal interessanter - en zijn jets kwamen in zicht. 1954, onderzoekers ontdekten dat Centaurus A het resultaat is van twee sterrenstelsels die samensmolten, die later werd geschat op 100 miljoen jaar geleden.

Met meer waarnemingen in de vroege jaren 2000, onderzoekers schatten dat ongeveer 10 miljoen jaar geleden, zijn actieve galactische kern schoot twee jets in tegengestelde richtingen uit. Wanneer onderzocht over het elektromagnetische spectrum, van röntgenstraling tot radiolicht, het is duidelijk dat er veel meer in dit verhaal zit dat we nog moeten leren.

"Multi-golflengte studies van elk sterrenstelsel zijn als de lagen van een ui. Elke golflengte laat je iets anders zien, "zei Marín. "Met Webb's nabij- en midden-infraroodinstrumenten, we zullen veel kouder gas en stof zien dan bij eerdere waarnemingen, en leer veel meer over de omgeving in het centrum van de melkweg."

De gegevens van Webb visualiseren

Het team onder leiding van Lützgendorf en Marín zal Centaurus A observeren, niet alleen door foto's te maken met Webb, maar door gegevens te verzamelen die bekend staan ​​als spectra, die licht als een regenboog in zijn samenstellende golflengten verspreidt. Webb's spectra onthullen informatie met hoge resolutie over de temperaturen, snelheden, en samenstellingen van het materiaal in het centrum van de melkweg.

Vooral, Webb's Near Infrared Spectrograph (NIRSpec en Mid-Infrared Instrument (MIRI) zal het onderzoeksteam voorzien van een combinatie van gegevens:een afbeelding plus een spectrum van binnen elke pixel van die afbeelding. Hierdoor kunnen de onderzoekers ingewikkelde 2D-kaarten maken van de spectra die hen zullen helpen te identificeren wat er achter de sluier van stof in het midden gebeurt - en dit vanuit vele hoeken diepgaand te analyseren.

Vergelijk deze stijl van modelleren met de analyse van een tuin. Op dezelfde manier classificeren botanici planten op basis van specifieke sets van kenmerken, deze onderzoekers zullen spectra van Webb's MIRI classificeren om "tuinen" of modellen te bouwen. "Als je van een grote afstand een momentopname maakt van een tuin, " legde Marin uit, "Je zult iets groens zien, maar met Webb, we zullen individuele bladeren en bloemen kunnen zien, hun stengels, en misschien de grond eronder."

Terwijl het onderzoeksteam in de spectra graaft, ze bouwen kaarten van afzonderlijke delen van de tuin, het ene spectrum vergelijken met een ander nabijgelegen spectrum. Dit is analoog aan het bepalen welke delen welke plantensoorten bevatten op basis van vergelijkingen van "stengels, " "bladeren, " en "bloemen" als ze gaan.

"Als het gaat om spectrale analyse, we maken veel vergelijkingen, " vervolgde Marín. "Als ik twee spectra in deze regio vergelijk, misschien zal ik ontdekken dat wat werd waargenomen een prominente populatie jonge sterren bevat. Of controleer welke ruimtes zowel stoffig als verwarmd zijn. Of misschien zullen we emissie identificeren die afkomstig is van de actieve galactische kern."

Met andere woorden, het "ecosysteem" van spectra heeft vele niveaus, waardoor het team beter kan definiëren wat er precies aanwezig is en waar het is - wat mogelijk wordt gemaakt door de gespecialiseerde infraroodinstrumenten van Webb. En, aangezien deze studies zullen voortbouwen op vele eerdere, kunnen de onderzoekers bevestigen, verfijnen, of nieuwe wegen inslaan door nieuwe functies te identificeren.

Het zwarte gat wegen in Centaurus A

De combinatie van afbeeldingen en spectra van NIRSpec en MIRI stelt het team in staat om kaarten met een zeer hoge resolutie te maken van de snelheden van het gas en de sterren in het centrum van Centaurus A. "We zijn van plan deze kaarten te gebruiken om te modelleren hoe de hele schijf in het centrum van de melkweg beweegt om de massa van het zwarte gat nauwkeuriger te bepalen, " legt Lützgendorf uit.

Omdat onderzoekers begrijpen hoe de zwaartekracht van een zwart gat de rotatie van nabijgelegen gas regelt, ze kunnen de Webb-gegevens gebruiken om het zwarte gat in Centaurus A te wegen. Met een completere set infraroodgegevens, ze zullen ook bepalen of verschillende delen van het gas zich allemaal gedragen zoals verwacht. "Ik kijk ernaar uit om onze gegevens volledig in te vullen, " zei Lützgendorf. "Ik hoop te zien hoe het geïoniseerde gas zich gedraagt ​​en ronddraait, en waar we de jets zien."

De onderzoekers hopen ook nieuwe wegen in te slaan. "Het is mogelijk dat we dingen vinden die we nog niet hebben overwogen, " Lützgendorf legt uit. "In sommige aspecten, we zullen met Webb volledig nieuw terrein bestrijken." Marín is het daar volledig mee eens, en voegt eraan toe dat voortbouwen op een schat aan bestaande gegevens van onschatbare waarde is. "Het meest opwindende aan deze waarnemingen is het potentieel voor nieuwe ontdekkingen, "zei ze. "Ik denk dat we misschien iets vinden waardoor we terugkijken naar andere gegevens en opnieuw interpreteren wat eerder werd gezien."

Deze studies van Centaurus A zullen worden uitgevoerd als onderdeel van de gezamenlijke MIRI- en NIRSpec Guaranteed Time Observations-programma's van Gillian Wright en Pierre Ferruit. Alle gegevens van Webb zullen uiteindelijk worden opgeslagen in het openbaar toegankelijke Barbara A. Mikulski Archive for Space Telescopes (MAST) van het Space Telescope Science Institute in Baltimore.