Superzware zwarte gaten, die zich waarschijnlijk in de centra van vrijwel alle sterrenstelsels bevinden, zijn onvoorstelbaar dik, compacte gebieden van de ruimte waaruit niets - zelfs geen licht - kan ontsnappen. Als zo'n zwart gat, met een gewicht van miljoenen of miljarden keren de massa van de zon, verslindt materiaal, het is omgeven door een wervelende schijf van gas. Wanneer gas van deze schijf naar het zwarte gat valt, er komt een enorme hoeveelheid energie vrij. Deze energie creëert een briljante en krachtige galactische kern, een quasar genaamd, wiens licht zijn gastmelkwegstelsel aanzienlijk kan overtreffen.

Astronomen geloven algemeen dat de energie van quasars verantwoordelijk is voor het beperken van de groei van massieve sterrenstelsels. Kort na de lancering van NASA's James Webb Space Telescope, wetenschappers zijn van plan om het effect van drie zorgvuldig geselecteerde quasars op hun gaststerrenstelsels te bestuderen in een programma genaamd Q3D.

Een superzwaar zwart gat is erg klein in vergelijking met zijn gaststelsel - het is het equivalent van een cent in verhouding tot de grootte van de hele maan. Nog altijd, superzware zwarte gaten hebben een enorme invloed op de sterrenstelsels die ze bewonen.

"Fysiek zeer kleine objecten, superzware zwarte gaten lijken een enorme impact te hebben op de evolutie van sterrenstelsels en uiteindelijk op de manier waarop ons universum er vandaag uitziet, " zei Q3D-hoofdonderzoeker Dominika Wylezalek, een onderzoeksgroepleider aan de universiteit van Heidelberg in Duitsland.

Twee decennia geleden, wetenschappers veronderstelden de cruciale rol van quasars bij het beperken van de groei van sterrenstelsels, maar specifiek observationeel bewijs is verrassend moeilijk te vinden. Wetenschappers denken dat de stortregens van een quasar elk jaar het equivalent van honderden zonnemassa's aan materiaal naar buiten duwen. Terwijl de quasarwinden over de schijf van de melkweg razen, materiaal dat anders nieuwe sterren zou hebben gevormd met geweld uit de melkweg wordt weggevoerd, waardoor stergeboorte stopt. Maar het observeren van de kracht en het bereik van quasars op hun gaststelsels blijft een groot onopgelost probleem in de moderne astrofysica. De Webb-telescoop zou daar verandering in kunnen brengen.

Gegevens analyseren in 3D

Naast zijn voortreffelijke gevoeligheid, resolutie en infrarood zicht, De mogelijkheden van Webb omvatten unieke driedimensionale beeldspectroscopie. Met deze speciale observatietechniek kan het team gedetailleerde lichtmetingen krijgen voor elke afzonderlijke pixel in het gezichtsveld. Het hecht veel afbeeldingen op enigszins verschillende golflengten aan elkaar. Hierdoor kunnen wetenschappers gasbewegingen in de melkweg ruimtelijk in kaart brengen. De techniek zal een revolutie teweegbrengen in het begrip van de relatie tussen superzware zwarte gaten en hun gastheerstelsels door wetenschappers in staat te stellen de sterren te onderzoeken, gas en stof in nabije en verre sterrenstelsels.

"Imaging-spectroscopie is belangrijk voor ons omdat de winden in deze verre quasars niet noodzakelijk symmetrisch zijn, " verklaarde co-hoofdonderzoeker Sylvain Veilleux, een professor in de astronomie aan de Universiteit van Maryland, Collegepark. "Dus, je hebt op elke positie een spectrum nodig om te bepalen wat hun geometrie is en om de belangrijke informatie uit deze winden en de impact die ze hebben op hun gastheerstelsels te kunnen halen."

Drie quasars en hun gastheren bestuderen

Het Q3D-team zal drie heldere quasars bestuderen om de activiteit te meten die voortkomt uit het aangroeien van materiaal op superzware zwarte gaten. en hoe de gaststerrenstelsels worden beïnvloed door die activiteit. Het team koos de drie quasars om wetenschappelijke redenen, maar ook om de mogelijkheden van Webb te testen en te beoordelen. De objecten overspannen opzettelijk een zeer breed bereik van afstand tot de aarde, van relatief dichtbij tot heel ver weg. Ze behoren ook tot de meest lichtgevende quasars op hun respectieve afstanden en het is bekend dat ze uitstroom van materiaal hebben.

Krachtige uitstroom van quasars lijkt te voorkomen dat het gas van een melkwegstelsel nieuwe sterren vormt en de melkweg laat groeien. Wetenschappers denken dat deze quasar-sterrenstelselverbinding cruciaal is om te bepalen hoe sterrenstelsels evolueren van het vroege heelal tot vandaag. Het is vooral belangrijk voor sterrenstelsels die een paar keer groter zijn dan de Melkweg, omdat quasar-gastheren over het algemeen massievere sterrenstelsels zijn.

Verder kijken dan het felle licht

Quasars zijn erg helder in vergelijking met het materiaal om hen heen, daarom ontwikkelt het team speciale softwaretools waarmee ze de verschijnselen kunnen bestuderen. Toen in de jaren vijftig quasars werden ontdekt, het waren schitterende radiobronnen die eruitzagen als sterren op fotografische platen, dus werden ze 'quasi-stellaire radiobronnen' genoemd. Eventueel, astronomen ontdekten dat quasars zich eigenlijk in sterrenstelsels bevonden, maar ze waren zo helder dat ze hun gaststelsels overtroffen.

"We zijn geïnteresseerd in de quasar zelf - de heldere, sterachtig ding in het midden, maar we zijn ook geïnteresseerd in het zwakkere gaststelsel. En niet alleen het gaststelsel, maar de nog zwakkere uitstroom van de gastheer. Dit is het gas dat niet rond de quasar cirkelt, of het centrum van de melkweg, maar stroomt in plaats daarvan naar buiten. Om dit heel vage spul achter de quasar te zien, we moeten het licht van de quasar verwijderen. Dat is iets unieks dat de software zal doen." zei mede-onderzoeker David Rupke, universitair hoofddocent natuurkunde aan het Rhodes College in Memphis, Tennessee. Rupke leidt de inspanningen om de software te schrijven om de Q3D-gegevens te analyseren.

De weg vrijmaken voor toekomstige Webb-onderzoeken

De Q3D-studie maakt deel uit van het Director's Discretionary-Early Release Science-programma, die al vroeg in de missie van de telescoop openbare gegevens verschaft aan de hele wetenschappelijke gemeenschap. Met dit programma kan de astronomische gemeenschap snel leren hoe ze de mogelijkheden van Webb het beste kunnen gebruiken, terwijl het ook robuuste wetenschap oplevert.

"Vanuit technisch oogpunt, met onze waarnemingen, we testen verschillende modi, filters en combinaties, " legde Wylezalek uit. "Het zal zeer nuttig zijn voor de wetenschappelijke gemeenschap om de prestaties in deze verschillende modi te zien. wetenschappelijk, we onderzoeken quasars bij verschillende lichtsterkten en kosmische tijden om de gemeenschap te informeren over de prestaties van Webb bij het beoordelen van verschillende wetenschappelijke vragen."

De Q3D-software zal niet alleen nuttig zijn voor gebruikers die quasars observeren, maar voor iedereen die heldere, puntig, centrale bronnen bovenop zwakkere bronnen. Dergelijke waarnemingen kunnen onder meer supersterclusters, supernova's, getijdenverstoringen, of gammaflitsen.

De James Webb Space Telescope wordt 's werelds belangrijkste ruimtewetenschappelijke observatorium wanneer hij in 2021 wordt gelanceerd. Webb zal mysteries in ons zonnestelsel oplossen, verder kijken naar verre werelden rond andere sterren, en onderzoek de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma onder leiding van NASA met haar partners, ESA (European Space Agency) en de Canadian Space Agency.