Supermassiva svarta hål, som sannolikt finns i mitten av praktiskt taget alla galaxer, är ofattbart täta, kompakta områden i rymden från vilka ingenting – inte ens ljus – kan fly. Som ett sådant svart hål, väger in miljoner eller miljarder gånger solens massa, slukar material, den är omgiven av en virvlande skiva av gas. När gas från denna skiva faller mot det svarta hålet, det frigör en enorm mängd energi. Denna energi skapar en lysande och kraftfull galaktisk kärna som kallas en kvasar, vars ljus i hög grad kan överglänsa sin värdgalax.

Astronomer tror allmänt att energin från kvasarer är ansvarig för att begränsa tillväxten av massiva galaxer. Strax efter lanseringen av NASA:s rymdteleskop James Webb, forskare planerar att studera effekten av tre noggrant utvalda kvasarer på deras värdgalaxer i ett program som kallas Q3D.

Ett supermassivt svart hål är mycket litet jämfört med sin värdgalax – det motsvarar en slant i förhållande till storleken på hela månen. Fortfarande, supermassiva svarta hål har ett enormt inflytande på de galaxer de lever i.

"Fysiskt mycket små föremål, supermassiva svarta hål verkar ha en enorm inverkan på galaxernas utveckling och så småningom på hur vårt universum ser ut idag, " sa Q3D:s huvudutredare Dominika Wylezalek, en forskningsgruppledare vid universitetet i Heidelberg i Tyskland.

För två decennier sedan, forskare antog kvasarernas avgörande roll för att begränsa galaxtillväxt, men specifika observationsbevis har varit förvånansvärt svåra att få fram. Forskare tror att en kvasars kraftiga vindar driver ut motsvarande hundratals solmassor av material varje år. När kvasarvindarna sveper över galaxens skiva, material som annars skulle ha bildat nya stjärnor förs med våld bort från galaxen, får stjärnfödseln att upphöra. Men att observera kraften och räckvidden hos kvasarer på deras värdgalaxer är fortfarande ett stort olöst problem inom modern astrofysik. Webb-teleskopet kan ändra på det.

Analysera data i 3D

Förutom sin utsökta känslighet, upplösning och infraröd syn, Webbs möjligheter inkluderar unik tredimensionell bildspektroskopi. Denna speciella observationsteknik gör att teamet kan få detaljerade mätningar av ljus för varje enskild pixel över synfältet. Den syr ihop många bilder med lite olika våglängder. Detta gör det möjligt för forskare att kartlägga gasrörelser inuti galaxen. Tekniken kommer att revolutionera förståelsen av förhållandet mellan supermassiva svarta hål och deras värdgalaxer genom att tillåta forskare att undersöka stjärnorna, gas och damm i närliggande och avlägsna galaxer.

"Bildspektroskopi är viktigt för oss eftersom vindarna i dessa avlägsna kvasarer inte nödvändigtvis är symmetriska, " förklarade medföreståndaren Sylvain Veilleux, en professor i astronomi vid University of Maryland, College Park. "Så, man behöver ett spektrum vid varje position för att bestämma vad deras geometri är och för att kunna dra viktig information från dessa vindar och påverkan de har på deras värdgalaxer."

Studerar tre kvasarer och deras värdar

Q3D-teamet kommer att studera tre ljusa kvasarer för att mäta aktiviteten som kommer från ansamling av material till supermassiva svarta hål, och hur värdgalaxerna påverkas av den aktiviteten. Teamet valde de tre kvasarerna av vetenskapliga skäl, men också för att testa och bedöma Webbs kapacitet. Objekten spänner avsiktligt över ett mycket stort avstånd från jorden, från relativt nära till mycket långt borta. De är också bland de mest lysande kvasarerna på sina respektive avstånd och är kända för att ha utflöden av material.

Kraftfulla kvasarutflöden verkar hindra en galax gas från att bilda nya stjärnor och växa galaxen. Forskare tror att denna kvasar-galax-koppling är avgörande för att avgöra hur galaxer utvecklas från det tidiga universum till idag. Det är särskilt viktigt för galaxer som är några gånger större än Vintergatan, eftersom kvasarvärdar i allmänhet är mer massiva galaxer.

Att se bortom det starka ljuset

Quasarer är mycket ljusa jämfört med materialet runt dem, så teamet utvecklar speciella mjukvaruverktyg som låter dem studera fenomenet. När kvasarer upptäcktes på 1950-talet, de var lysande radiokällor som såg ut som stjärnor på fotografiska plattor, så de kallades "kvasistelära radiokällor". Så småningom, astronomer lärde sig att kvasarer faktiskt fanns inuti galaxer, men de var så ljusa att de överglänste sina värdgalaxer.

"Vi är intresserade av själva kvasaren - den ljusa, stjärnliknande sak i mitten – men vi är också intresserade av den svagare värdgalaxen. Och inte bara värdgalaxen, men det ännu svagare utflödet från värden. Det här är gasen som inte cirkulerar runt kvasaren, eller galaxens centrum, utan flyter istället ut. Att se detta riktigt svaga grejer bakom kvasaren, vi måste ta bort kvasarens ljus. Det är en unik sak som programvaran kommer att göra." sa medutredaren David Rupke, docent i fysik vid Rhodes College i Memphis, Tennessee. Rupke leder arbetet med att skriva programvaran för att analysera Q3D-data.

Banar väg för framtida Webb-studier

Q3D-studien är en del av Director's Discretionary-Early Release Science-program, som ger offentliga data till hela forskarsamhället tidigt i teleskopets uppdrag. Detta program låter det astronomiska samhället snabbt lära sig hur man bäst använder Webbs kapacitet, samtidigt som det ger robust vetenskap.

"Från en teknisk synvinkel, med våra observationer, vi testar olika lägen, filter och kombinationer, " förklarade Wylezalek. "Det kommer att vara mycket användbart för forskarsamhället att se prestandan i dessa olika lägen. Vetenskapligt, vi undersöker kvasarer vid olika ljusstyrkor och kosmiska tider för att informera samhället om Webbs prestanda när vi bedömer olika vetenskapliga frågor."

Q3D-mjukvaran kommer inte bara att vara användbar för användare som observerar kvasarer utan för alla som observerar ljusa, punktliknande, centrala källor ovanpå svagare källor. Sådana observationer kan inkludera superstjärnhopar, supernovor, tidvattenstörningar, eller gammastrålning.

Rymdteleskopet James Webb kommer att vara världens främsta rymdforskningsobservatorium när det lanseras 2021. Webb kommer att lösa mysterier i vårt solsystem, se bortom till avlägsna världar runt andra stjärnor, och undersöka de mystiska strukturerna och ursprunget till vårt universum och vår plats i det. Webb är ett internationellt program som leds av NASA med sina partners, ESA (European Space Agency) och Canadian Space Agency.