Kvasarer är de ljusaste objekten i universum och bland de mest energiska. De överglänser hela galaxer med miljarder stjärnor. Ett supermassivt svart hål ligger i hjärtat av varje kvasar, men inte varje svart hål är en kvasar. Endast de svarta hålen som lever mest glupskt kan driva en kvasar. Material som faller in i det supermassiva svarta hålet värms upp, och får en kvasar att häftigt lysa över universum som en fyrfyr.

Även om det är känt att kvasarer finns i galaxernas centrum, det har varit svårt att säga hur dessa galaxer är och hur de kan jämföras med galaxer utan kvasarer. Utmaningen är att kvasarens bländning gör det svårt eller omöjligt att reta ut ljuset från den omgivande värdgalaxen. Det är som att titta direkt in i en bilstrålkastare och försöka ta reda på vilken typ av bil den är kopplad till.

En ny studie tyder på att NASA:s rymdteleskop James Webb, planeras att lanseras 2021, kommer att kunna avslöja värdgalaxerna för några avlägsna kvasarer trots deras små storlekar och skymmer damm.

"Vi vill veta vilken typ av galaxer dessa kvasarer lever i. Det kan hjälpa oss att svara på frågor som:Hur kan svarta hål växa sig så stora så snabbt? Finns det ett samband mellan massan av galaxen och massan av det svarta hålet, som vi ser i det närliggande universum?" sa huvudförfattaren Madeline Marshall vid University of Melbourne i Australien, som utförde sitt arbete inom ARC Center of Excellence in All Sky Astrophysics in 3 Dimensions.

Att svara på dessa frågor är utmanande av flera anledningar. Särskilt, ju längre bort en galax är, desto mer har dess ljus sträckts ut till längre våglängder genom universums expansion. Som ett resultat, ultraviolett ljus från det svarta hålets ackretionsskiva eller galaxens unga stjärnor förskjuts till infraröda våglängder.

I en nyligen genomförd studie, astronomer använde den nära-infraröda förmågan hos NASA:s rymdteleskop Hubble för att studera kända kvasarer i hopp om att upptäcka den omgivande glöden från deras värdgalaxer, utan betydande upptäckter. Detta tyder på att damm i galaxerna skymmer ljuset från deras stjärnor. Webbs infraröda detektorer kommer att kunna titta genom dammet och avslöja de dolda galaxerna.

"Hubble går helt enkelt inte tillräckligt långt in i det infraröda för att se värdgalaxerna. Det är här Webb verkligen kommer att briljera, " sa Rogier Windhorst från Arizona State University i Tempe, en medförfattare på Hubble-studien.

För att avgöra vad Webb förväntas se, teamet använde en toppmodern datorsimulering som heter BlueTides, utvecklad av ett team ledd av Tiziana Di Matteo vid Carnegie Mellon University i Pittsburgh, Pennsylvania.

"BlueTides är designad för att studera bildandet och utvecklingen av galaxer och kvasarer under de första miljarderna av universums historia. Dess stora kosmiska volym och höga rumsliga upplösning gör det möjligt för oss att studera dessa sällsynta kvasarvärdar på statistisk basis, " sa Yueying Ni från Carnegie Mellon University, som körde BlueTides-simuleringen. BlueTides ger bra överensstämmelse med aktuella observationer och låter astronomer förutsäga vad Webb ska se.

Teamet fann att galaxerna som var värd för kvasarer tenderade att vara mindre än genomsnittet, som sträcker sig över endast cirka 1/30 av Vintergatans diameter trots att den innehåller nästan lika mycket massa som vår galax. "Värdgalaxerna är förvånansvärt små jämfört med den genomsnittliga galaxen vid den tidpunkten, sa Marshall.

Galaxerna i simuleringen tenderade också att snabbt bilda stjärnor, upp till 600 gånger snabbare än den nuvarande stjärnbildningshastigheten i Vintergatan. "Vi upptäckte att dessa system växer väldigt snabbt. De är som brådmogna barn – de gör allt tidigt, " förklarade medförfattaren Di Matteo.

Teamet använde sedan dessa simuleringar för att bestämma vad Webbs kameror skulle se om observatoriet studerade dessa avlägsna system. De fann att det skulle vara möjligt att skilja värdgalaxen från kvasaren, även om det fortfarande är utmanande på grund av galaxens ringa storlek på himlen.

"Webb kommer att öppna upp möjligheten att observera dessa mycket avlägsna värdgalaxer för första gången, sa Marshall.

De övervägde också vad Webbs spektrografer kunde hämta från dessa system. Spektralstudier, som delar upp inkommande ljus i dess komponentfärger eller våglängder, skulle kunna avslöja den kemiska sammansättningen av dammet i dessa system. Att lära sig hur mycket tunga element de innehåller kan hjälpa astronomer att förstå sin stjärnbildningshistoria, eftersom de flesta av de kemiska grundämnena produceras i stjärnor.

Webb kunde också avgöra om värdgalaxerna är isolerade eller inte. Hubble-studien fann att de flesta av kvasarerna hade detekterbara följeslagargalaxer, men kunde inte avgöra om dessa galaxer faktiskt var i närheten eller om de är slumpmässiga superpositioner. Webbs spektrala kapacitet kommer att tillåta astronomer att mäta rödförskjutningar, och därmed avstånd, av dessa uppenbara följeslagargalaxer för att avgöra om de är på samma avstånd som kvasaren.

I sista hand, Webbs observationer borde ge nya insikter om dessa extrema system. Astronomer kämpar fortfarande för att förstå hur ett svart hål kan växa till att väga en miljard gånger så mycket som vår sol på bara en miljard år. "Dessa stora svarta hål borde inte existera så tidigt eftersom det inte har funnits tillräckligt med tid för dem att växa så massiva, " sa medförfattaren Stuart Wyithe från University of Melbourne.

Framtida kvasarstudier kommer också att drivas av synergier mellan flera kommande observatorier. Infraröda undersökningar med Europeiska rymdorganisationens Euclid-uppdrag, samt det markbaserade Vera C. Rubin-observatoriet, en National Science Foundation/Department of Energy-anläggning som för närvarande byggs på Cerro Pachón i Chiles Atacamaöknen. Båda observatorierna kommer att avsevärt öka antalet kända avlägsna kvasarer. Dessa nyfunna kvasarer kommer sedan att undersökas av Hubble och Webb för att få nya förståelser av universums uppväxtår.