Hur bildas och utvecklas galaxer? Och hur bildas centrala supermassiva svarta hål i galaxer och påverkar deras värdar? Det är två av de stora frågorna som Tufts astronomer hoppas kunna svara på när de börjar använda en ny, mycket känsligt instrument som kommer att komma online om några år på ett landmärkesteleskop på Hawaii.

Danilo Marchesini och Anna Sajina, båda docenten, är en del av en stor internationell grupp som ansvarar för att bygga den toppmoderna Prime Focus Spectrograph (PFS), som kommer att ligga på toppen av Mauna Kea, Hawaii.

PFS kommer att anställa 2, 400 optiska fibrer på toppen av det befintliga Subaru 8,2-metersteleskopet, så att den kan ta 2 exponeringar samtidigt, 400 astronomiska objekt på natthimlen. Dessa data kommer att matas in i fyra spektrografer, var och en kopplad till 600 optiska fibrer. Spektrografer separerar ljus i dess olika våglängder, samla information om ljus som är osynligt för ögat. "De är i grunden gjorda av tre kameror:en ultraviolett kamera, en optisk-visuell kamera, och en nära-infraröd kamera, sa Marchesini.

Testningen startar 2020, och PFS förväntas komma helt online i slutet av 2021 eller början av 2022. Det multinationella teamet som bygger instrumentet leds av forskare från japanska, taiwanesiska, brasiliansk, Kinesiska, franska, och amerikanska institutioner, inklusive CalTech, Johns Hopkins University, och Princeton.

Tufts är en del av PFS Northeastern Participation Group (NEPG), vars andra medlemmar är fakulteten från University of Connecticut, University of Illinois i Urbana-Champaign, Columbia University, och University of Pittsburgh. Marchesini är ordförande för NEPG och representerar den som medlem av PFS:s styrkommitté.

Att vara en del av PFS-teamet innebär att Tufts-astronomer garanteras cirka 300 till 350 nätters tillgång till instrumentet under en period på cirka fem eller sex år för en serie forskningsexperiment, och kommer att ha omedelbar tillgång till den data som genereras. Medan Sajina och Marchesini studerar galaxbildning och aktivt accreterar supermassiva svarta hål, andra grupper kommer att utforska ursprunget till mörk materia och mörk energi, samt historien om vår egen Vintergatan och dess satellitgalaxer.

Inom astronomi, tillgång till sådana nya instrument är mycket eftertraktad, sa Marchesini. "Med Anna och jag som en del av PFS, var och en av oss får i princip fyra yngre medlemmar i vår forskargrupp med samma obegränsade, obegränsad tillgång till uppgifterna, som inkluderar postdocs, studenter, och studenter, sa Marchesini.

Det utökar möjligheter för Tufts studenter och postdoktorer, vem som kommer att ha tillgång till PFS-genererad data och som även potentiellt skulle kunna ta del av andra områden av PFS-forskning. "Det finns en helt ny värld av vetenskap som kan göras här på Tufts som tidigare inte var tillgänglig internt, sa Marchesini.

Att vara en del av PFS och ha så många garanterade nätter med data kommer också att hjälpa till att söka finansiering för annan astronomiforskning. "Eftersom vi redan har garanterad data, vi behöver inte bevisa för finansiären att vi kommer att kunna erhålla sådana toppmoderna data, sa Marchesini.

Han noterade att det redan har visat sig fördelaktigt att ha denna tillgång till PFS. Sajina, som är på sabbatsår den här terminen och forskar på CalTech, är huvudutredare i ett forskningsprojekt som använder NASA Spitzer Space Telescope, som delvis finansierades baserat på hennes PFS-deltagande.

Supermassiva svarta hål och galaxernas utveckling

Sajina och Marchesini har redan detaljerade planer för sina nätter på PFS. Deras första mål är att använda det för att förstå hur galaxer bildas och utvecklas, och i synnerhet hur supermassiva svarta hål i galaxernas centrum påverkar utvecklingen av hela galaxerna. De tittar på vad som kallas de aktiva galaktiska kärnorna - när material faller in i de supermassiva svarta hålen och avger enorma mängder strålning när de gör det.

De kommer att använda minst 100 nätter för att studera sambandet mellan dessa aktiva galaktiska kärnor och galaxernas utveckling. Att göra det, de kommer att titta på ljus från den del av spektrumet som är knuten till det som kallas kosmisk middag, perioden för aktiv stjärnbildning i universum för cirka 10 miljarder år sedan.

De kommer också att titta på hur galaxer stoppar sin stjärnbildning - "till exempel, de fysiska mekanismerna för att släcka stjärnbildningen, förvandla dem från aktivt stjärnbildande galaxer till vilande galaxer, sa Marchesini.

De hoppas också få veta hur en galax miljö påverkar den. Galaxer är inte jämnt fördelade i universum – det finns "en sorts spindelnätsfördelning av galaxer, med filament, " sa Marchesini. "När dessa filament går ihop, du har galaxhopar. En stor fråga är hur denna övergripande miljö av stora strukturer påverkar galaxens utveckling. PFS kommer att tillåta oss att undersöka det, för första gången, vid kosmisk middag."