La ilustración de este artista retrata dos galaxias que existieron en los primeros mil millones de años del universo. La galaxia más grande de la izquierda alberga un quásar brillante en su centro, cuyo resplandor es impulsado por materia caliente que rodea un agujero negro supermasivo. Los científicos calculan que la resolución y la sensibilidad infrarroja del próximo telescopio espacial James Webb de la NASA le permitirá detectar una galaxia anfitriona polvorienta como esta a pesar del haz del reflector del cuásar. Crédito: J. Olmsted (STScI)
Las observaciones de Webb buscarán galaxias polvorientas de los primeros mil millones de años del universo.
Los objetos más brillantes del distante y joven universo son los cuásares. Estas balizas cósmicas están impulsadas por agujeros negros supermasivos que consumen material a un ritmo feroz. Los quásares son tan brillantes que pueden eclipsar a toda su galaxia anfitriona, lo que dificulta estudiar esas galaxias y compararlas con galaxias sin quásares.
Un nuevo estudio teórico examina qué tan bien NASAes próximo Telescopio espacial James Webb, cuyo lanzamiento está previsto para 2021, podrá separar la luz de las galaxias anfitrionas del brillante quásar central. Los investigadores encuentran que Webb podría detectar galaxias anfitrionas que existían apenas mil millones de años después del Big Bang.
Este video se acerca a una simulación muy detallada del universo llamada BlueTides. Al igual que el video icónico Powers of Ten, cada paso cubre una distancia 10 veces más pequeña que el anterior. El primer fotograma se extiende por unos 200 millones de años luz, mientras que el cuarto y último fotograma abarca solo 200.000 años luz y contiene dos galaxias. Los investigadores utilizaron esta simulación para investigar las propiedades de las galaxias que contienen cuásares: núcleos galácticos brillantes alimentados por la acumulación de agujeros negros supermasivos. Crédito: Y. Ni (Universidad Carnegie Mellon) y L. Hustak (STScI)
Los quásares son los objetos más brillantes del universo y se encuentran entre los más enérgicos. Eclipsan galaxias enteras de miles de millones de estrellas. Un supermasivo calabozo se encuentra en el corazón de cada cuásar, pero no todos los agujeros negros son un cuásar. Solo los agujeros negros que se alimentan con más voracidad pueden alimentar un quásar. El material que cae en el agujero negro supermasivo se calienta y hace que un quásar brille en todo el universo como un faro.
Aunque se sabe que los cuásares residen en los centros de las galaxias, ha sido difícil saber cómo son esas galaxias y cómo se comparan con las galaxias sin quásares. El desafío es que el resplandor del quásar hace que sea difícil o imposible sacar la luz de la galaxia anfitriona circundante. Es como mirar directamente a los faros de un automóvil y tratar de averiguar a qué tipo de automóvil está conectado.
Un nuevo estudio[1] sugiere que el telescopio espacial James Webb de la NASA, que se lanzará en 2021, podrá revelar las galaxias anfitrionas de algunos cuásares distantes a pesar de sus pequeños tamaños y su oscurecimiento del polvo.
Estas imágenes simuladas muestran cómo un cuásar y su galaxia anfitriona aparecerían ante el próximo telescopio espacial James Webb de la NASA (arriba) y el telescopio espacial Hubble (abajo) en longitudes de onda infrarrojas de 1,5 y 1,6 micrones, respectivamente. El espejo más grande de Webb proporcionará más de 4 veces la resolución, lo que permitirá a los astrónomos separar la luz de la galaxia de la abrumadora luz del cuásar central. Las imágenes individuales abarcan aproximadamente 2 segundos de arco en el cielo, lo que representa una distancia de 36.000 años luz con un corrimiento al rojo de 7. Crédito: M. Marshall (Universidad de Melbourne)
“Queremos saber en qué tipo de galaxias viven estos cuásares. Eso puede ayudarnos a responder preguntas como: ¿Cómo pueden los agujeros negros crecer tan grandes y tan rápido? ¿Existe una relación entre la masa de la galaxia y la masa del agujero negro, como vemos en el universo cercano? Dijo la autora principal, Madeline Marshall, de la Universidad de Melbourne en Australia, quien llevó a cabo su trabajo dentro del Centro ARC de Excelencia en Astrofísica del Cielo en 3 Dimensiones.
Responder a estas preguntas es un desafío por varias razones. En particular, cuanto más distante está una galaxia, más se ha estirado su luz a longitudes de onda más largas por la expansión del universo. Como resultado, la luz ultravioleta del disco de acreción del agujero negro o las estrellas jóvenes de la galaxia se desplaza a longitudes de onda infrarrojas.
En un estudio reciente[2], los astrónomos utilizaron las capacidades de infrarrojo cercano de la NASA telescopio espacial Hubble para estudiar quásares conocidos con la esperanza de detectar el resplandor circundante de sus galaxias anfitrionas, sin detecciones significativas. Esto sugiere que el polvo dentro de las galaxias está oscureciendo la luz de sus estrellas. Los detectores de infrarrojos de Webb podrán mirar a través del polvo y descubrir las galaxias ocultas.
“El Hubble simplemente no se adentra lo suficiente en el infrarrojo para ver las galaxias anfitrionas. Aquí es donde Webb realmente se destacará ”, dijo Rogier Windhorst de la Universidad Estatal de Arizona en Tempe, coautor del estudio Hubble.
Para determinar qué se espera que vea Webb, el equipo utilizó una simulación por computadora de última generación llamada BlueTides, desarrollada por un equipo dirigido por Tiziana Di Matteo en la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, Pensilvania.
“BlueTides está diseñado para estudiar la formación y evolución de galaxias y cuásares en los primeros mil millones de años de la historia del universo. Su gran volumen cósmico y alta resolución espacial nos permite estudiar esos raros huéspedes de cuásares sobre una base estadística ”, dijo Yueying Ni de la Universidad Carnegie Mellon, que ejecutó la simulación BlueTides. BlueTides proporciona un buen acuerdo con las observaciones actuales y permite a los astrónomos predecir lo que Webb debería ver.
El equipo descubrió que las galaxias que albergan cuásares tendían a ser más pequeñas que el promedio, abarcando solo aproximadamente 1/30 del diámetro del Vía láctea a pesar de contener casi tanta masa como nuestra galaxia. “Las galaxias anfitrionas son sorprendentemente pequeñas en comparación con la galaxia promedio en ese momento”, dijo Marshall.
Las galaxias en la simulación también tendieron a formar estrellas rápidamente, hasta 600 veces más rápido que la tasa actual de formación de estrellas en la Vía Láctea. “Descubrimos que estos sistemas crecen muy rápido. Son como niños precoces, hacen todo desde el principio ”, explicó el coautor Di Matteo.
Luego, el equipo usó estas simulaciones para determinar qué verían las cámaras de Webb si el observatorio estudiara estos sistemas distantes. Descubrieron que era posible distinguir la galaxia anfitriona del cuásar, aunque todavía era un desafío debido al pequeño tamaño de la galaxia en el cielo.
“Webb abrirá la oportunidad de observar estas galaxias anfitrionas muy distantes por primera vez”, dijo Marshall.
También consideraron lo que los espectrógrafos de Webb podrían extraer de estos sistemas. Los estudios espectrales, que dividen la luz entrante en los colores o longitudes de onda que la componen, podrían revelar la composición química del polvo en estos sistemas. Aprender la cantidad de elementos pesados que contienen podría ayudar a los astrónomos a comprender sus historias de formación estelar, ya que la mayoría de los elementos químicos se producen en las estrellas.
Webb también podría determinar si las galaxias anfitrionas están aisladas o no. El estudio de Hubble encontró que la mayoría de los quásares tenían galaxias compañeras detectables, pero no pudo determinar si esas galaxias estaban realmente cerca o si son superposiciones al azar. Las capacidades espectrales de Webb permitirán a los astrónomos medir los desplazamientos al rojo y, por tanto, las distancias, de esas aparentes galaxias compañeras para determinar si están a la misma distancia que el cuásar.
En última instancia, las observaciones de Webb deberían proporcionar nuevos conocimientos sobre estos sistemas extremos. Los astrónomos todavía luchan por comprender cómo un agujero negro podría llegar a pesar mil millones de veces más que nuestro Sol en solo mil millones de años. “Estos grandes agujeros negros no deberían existir tan temprano porque no ha habido suficiente tiempo para que se vuelvan tan masivos”, dijo el coautor Stuart Wyithe de la Universidad de Melbourne.
Los futuros estudios de cuásares también serán impulsados por sinergias entre múltiples observatorios próximos. Estudios infrarrojos con la misión Euclid de la Agencia Espacial Europea, así como con el Observatorio Vera C. Rubin, una instalación de la Fundación Nacional de Ciencias / Departamento de Energía que se encuentra actualmente en construcción en Cerro Pachón en el desierto de Atacama en Chile. Ambos observatorios aumentarán significativamente el número de cuásares distantes conocidos. Luego, Hubble y Webb examinarán esos cuásares recién descubiertos para obtener una nueva comprensión de los años de formación del universo.
Referencias:
- “Las galaxias anfitrionas de z = 7 quásares: predicciones de la simulación BlueTides” por Madeline A Marshall, Yueying Ni, Tiziana Di Matteo, J Stuart B Wyithe, Stephen Wilkins, Rupert AC Croft y Jussi K Kuusisto, 5 de octubre de 2020, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / staa2982 - “Límites a la emisión ultravioleta en el marco de reposo de los hosts de quasar z sime 6 luminosos de infrarrojo lejano” por MA Marshall, M. Mechtley, RA Windhorst, SH Cohen, RA Jansen, L. Jiang, VR Jones, JSB Wyithe1, X. Fan , NP Hathi, K.Jahnke, WC Keel, AM Koekemoer, V.Marian, K.Ren, J. Robinson, HJA Röttgering, RE Ryan Jr., E. Scannapieco, DP Schneider, G. Schneider, BM Smith y H. Yan, 27 de agosto de 2020, El diario astrofísico.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / abaa4c
La simulación Bluetides (proyecto PI: Tiziana Di Matteo en la Universidad Carnegie Mellon) se ejecutó en la instalación de computación de petasescala sostenida de Blue Waters, que cuenta con el apoyo de la National Science Foundation.
El telescopio espacial James Webb será el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo cuando se lance en 2021. Webb resolverá misterios en nuestro sistema solar, verá más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar. en eso. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.
