Quasars zijn erg helder, verre en actieve superzware zwarte gaten die miljoenen tot miljarden keren de massa van de zon zijn. Meestal gelokaliseerd in de centra van sterrenstelsels, ze voeden zich met invallende materie en ontketenen fantastische stromen straling. Een van de helderste objecten in het universum, het licht van een quasar overtreft dat van alle sterren in zijn gaststerrenstelsel samen, en zijn stralen en winden vormen de melkweg waarin het zich bevindt.

Kort na de lancering later dit jaar, een team van wetenschappers zal NASA's James Webb Space Telescope trainen op zes van de meest verre en lichtgevende quasars. Ze zullen de eigenschappen van deze quasars en hun gaststerrenstelsels bestuderen, en hoe ze met elkaar verbonden waren tijdens de eerste stadia van de evolutie van sterrenstelsels in het zeer vroege heelal. Het team zal de quasars ook gebruiken om het gas in de ruimte tussen sterrenstelsels te onderzoeken, vooral tijdens de periode van kosmische reïonisatie, die eindigde toen het universum nog heel jong was. Ze zullen dit bereiken met behulp van Webb's extreme gevoeligheid voor lage lichtniveaus en zijn uitstekende hoekresolutie.

Webb:Een bezoek aan het jonge universum

Terwijl Webb diep in het universum tuurt, het zal daadwerkelijk terugkijken in de tijd. Het licht van deze verre quasars begon zijn reis naar Webb toen het universum nog heel jong was, en het duurde miljarden jaren om te arriveren. We zullen de dingen zien zoals ze lang geleden waren, niet zoals ze nu zijn.

"Al deze quasars die we bestuderen, bestonden al heel vroeg, toen het heelal nog geen 800 miljoen jaar oud was, of minder dan 6 procent van zijn huidige leeftijd. Deze waarnemingen geven ons dus de mogelijkheid om de evolutie van sterrenstelsels en de vorming en evolutie van superzware zwarte gaten in deze zeer vroege tijden te bestuderen, " legde teamlid Santiago Arribas uit, een onderzoeksprofessor aan de afdeling Astrofysica van het Centrum voor Astrobiologie in Madrid, Spanje. Arribas is ook lid van Webb's Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) Instrument Science Team.

Het licht van deze zeer verre objecten is uitgerekt door de uitdijing van de ruimte. Dit staat bekend als kosmologische roodverschuiving. Hoe verder het licht moet reizen, hoe meer het roodverschoven is. In feite, het zichtbare licht dat in het vroege heelal wordt uitgezonden, wordt zo dramatisch uitgerekt dat het naar het infrarood wordt verschoven wanneer het bij ons aankomt. Met zijn reeks infrarood-afgestemde instrumenten, Webb is bij uitstek geschikt om dit soort licht te bestuderen.

Quasars bestuderen, hun gastheerstelsels en omgevingen, en hun krachtige uitstromen

De quasars die het team gaat bestuderen, behoren niet alleen tot de verste in het heelal, maar ook een van de slimste. Deze quasars hebben doorgaans de hoogste massa's van zwarte gaten, en ze hebben ook de hoogste accretiesnelheden - de snelheden waarmee materiaal in de zwarte gaten valt.

"We zijn geïnteresseerd in het observeren van de meest lichtgevende quasars omdat de zeer hoge hoeveelheid energie die ze in hun kernen genereren, zou moeten leiden tot de grootste impact op het gaststelsel door de mechanismen zoals quasar-uitstroom en verwarming, " zei Chris Willott, een onderzoekswetenschapper aan het Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Center van de National Research Council of Canada (NRC) in Victoria, Brits-Columbia. Willott is ook de Webb-projectwetenschapper van het Canadian Space Agency. "We willen deze quasars observeren op het moment dat ze de grootste impact hebben op hun gaststelsels."

Er komt een enorme hoeveelheid energie vrij wanneer materie wordt aangegroeid door het superzware zwarte gat. Deze energie verwarmt en duwt het omringende gas naar buiten, sterke uitstromen genereren die als een tsunami door de interstellaire ruimte scheuren, grote schade aanrichten aan het gaststelsel.

Uitstroom speelt een belangrijke rol in de evolutie van sterrenstelsels. Gas voedt de vorming van sterren, dus wanneer gas wordt verwijderd als gevolg van uitstroom, de stervormingssnelheid neemt af. In sommige gevallen, uitstromen zijn zo krachtig en verdrijven zulke grote hoeveelheden gas dat ze de stervorming in het gaststelsel volledig kunnen stoppen. Wetenschappers denken ook dat uitstroom het belangrijkste mechanisme is waardoor gas, stof en elementen worden herverdeeld over grote afstanden binnen de melkweg of kunnen zelfs worden uitgestoten in de ruimte tussen melkwegstelsels - het intergalactische medium. Dit kan fundamentele veranderingen veroorzaken in de eigenschappen van zowel het gaststelsel als het intergalactische medium.

Onderzoek naar eigenschappen van intergalactische ruimte tijdens het tijdperk van reïonisatie

Meer dan 13 miljard jaar geleden, toen het universum nog heel jong was, het uitzicht was verre van duidelijk. Neutraal gas tussen sterrenstelsels maakte het heelal ondoorzichtig voor sommige soorten licht. Gedurende honderden miljoenen jaren, het neutrale gas in het intergalactische medium werd geladen of geïoniseerd, waardoor het transparant wordt voor ultraviolet licht. Deze periode wordt het tijdperk van reïonisatie genoemd. Maar wat leidde tot de reïonisatie die de 'heldere' omstandigheden creëerde die tegenwoordig in een groot deel van het universum worden gedetecteerd? Webb zal diep in de ruimte turen om meer informatie te verzamelen over deze belangrijke overgang in de geschiedenis van het universum. De waarnemingen zullen ons helpen het tijdperk van reïonisatie te begrijpen, dat is een van de belangrijkste grenzen in de astrofysica.

Het team zal quasars gebruiken als achtergrondlichtbronnen om het gas tussen ons en de quasar te bestuderen. Dat gas absorbeert het licht van de quasar op specifieke golflengten. Via een techniek die beeldspectroscopie wordt genoemd, ze gaan op zoek naar absorptielijnen in het tussenliggende gas. Hoe helderder de quasar is, hoe sterker die absorptielijnkenmerken in het spectrum zullen zijn. Door te bepalen of het gas neutraal of geïoniseerd is, wetenschappers zullen leren hoe neutraal het universum is en hoeveel van dit reïonisatieproces op dat specifieke moment heeft plaatsgevonden.

"Als je het heelal wilt bestuderen, je hebt zeer heldere achtergrondbronnen nodig. Een quasar is het perfecte object in het verre heelal, omdat het licht genoeg is dat we het heel goed kunnen zien, " zei teamlid Camilla Pacifici, die is aangesloten bij de Canadian Space Agency, maar werkt als instrumentwetenschapper bij het Space Telescope Science Institute in Baltimore. "We willen het vroege heelal bestuderen omdat het heelal evolueert, en we willen weten hoe het begon."

Het team zal het licht van de quasars analyseren met NIRSpec om te zoeken naar wat astronomen "metalen, ", dat zijn elementen die zwaarder zijn dan waterstof en helium. Deze elementen werden gevormd in de eerste sterren en de eerste sterrenstelsels en verdreven door uitstromen. Het gas beweegt uit de sterrenstelsels waarin het oorspronkelijk was en in het intergalactische medium. Het team is van plan om de generatie van deze eerste "metalen, " evenals de manier waarop ze door deze vroege uitstroom het intergalactische medium in worden geduwd.

De kracht van Webb

Webb is een uiterst gevoelige telescoop die zeer lage lichtniveaus kan detecteren. Dit is belangrijk, want hoewel de quasars intrinsiek heel helder zijn, degene die dit team gaat observeren, behoren tot de meest verre objecten in het universum. In feite, ze zijn zo ver weg dat de signalen die Webb zal ontvangen erg, heel laag. Alleen met de voortreffelijke gevoeligheid van Webb kan deze wetenschap worden bereikt. Webb biedt ook een uitstekende hoekresolutie, waardoor het mogelijk wordt om het licht van de quasar te ontwarren van zijn gaststelsel.

De hier beschreven quasar-programma's zijn gegarandeerde tijdwaarnemingen waarbij de spectroscopische mogelijkheden van NIRSpec betrokken zijn.