Forskare som använder NASA:s kommande rymdteleskop James Webb kommer att kartlägga och modellera kärnan av den närliggande galaxen Centaurus A.

Centaurus A är en jätte av en galax, men dess framträdanden i teleskopobservationer kan vara vilseledande. Mörka dammbanor och unga blå stjärnhopar, som korsar dess centrala region, är uppenbara i ultraviolett ljus, synlig, och nära infrarött ljus, måla ett ganska dämpat landskap. Men genom att byta till röntgen- och radioljusvyer, en mycket häftigare scen börjar utspela sig:Från kärnan av den missformade elliptiska galaxen, spektakulära strålar av material har brutit ut från dess aktiva supermassiva svarta hål – känt som en aktiv galaktisk kärna – som skickar material ut i rymden långt bortom galaxens gränser.

Vad, exakt, händer i sin kärna för att orsaka all denna aktivitet? Kommande observationer ledda av Nora Lützgendorf och Macarena García Marín från Europeiska rymdorganisationen med hjälp av NASA:s James Webb rymdteleskop kommer att tillåta forskare att titta igenom dess dammiga kärna i hög upplösning för första gången för att börja svara på dessa frågor.

"Det händer så mycket i Centaurus A, " förklarar Lützgendorf. "Galaxens gas, disk, och alla stjärnor rör sig under påverkan av dess centrala supermassiva svarta hål. Eftersom galaxen är så nära oss, vi kommer att kunna använda Webb för att skapa tvådimensionella kartor för att se hur gasen och stjärnorna rör sig i dess centrala region, hur de påverkas av strålarna från dess aktiva galaktiska kärna, och i slutändan bättre karakterisera massan av dess svarta hål."

En snabb tillbakablick

Låt oss trycka på "spol tillbaka" för att granska lite av det som redan är känt om Centaurus A. Det är väl studerat eftersom det är relativt nära - cirka 13 miljoner ljusår bort - vilket betyder att vi tydligt kan lösa hela galaxen. Den första registreringen av det registrerades i mitten av 1800-talet, men astronomer tappade intresset fram till 1950-talet eftersom galaxen verkade vara en tyst, om det missbildas, elliptisk galax. När forskare kunde börja observera med radioteleskop på 1940- och 50-talen, Centaurus A blev radikalt mer intressant - och dess jetstrålar kom till synen. 1954, forskare fann att Centaurus A är resultatet av två galaxer som smälte samman, som senare beräknades ha inträffat för 100 miljoner år sedan.

Med fler observationer i början av 2000-talet, forskare uppskattade att för cirka 10 miljoner år sedan, dess aktiva galaktiska kärna sköt ut tvillingstrålar i motsatta riktningar. När man undersöker det över det elektromagnetiska spektrumet, från röntgen till radioljus, det är uppenbart att det finns mycket mer i den här historien som vi fortfarande måste lära oss.

"Multi-våglängdsstudier av vilken galax som helst är som lager av en lök. Varje våglängd visar dig något annat, " sa Marín. "Med Webbs nära- och mellaninfraröda instrument, vi kommer att se mycket kallare gas och damm än i tidigare observationer, och lär dig mycket mer om miljön i galaxens centrum."

Visualisera Webbs data

Teamet som leds av Lützgendorf och Marín kommer att observera Centaurus A inte bara genom att ta bilder med Webb, men genom att samla in data som kallas spektra, som sprider ut ljus i dess beståndsdelar våglängder som en regnbåge. Webbs spektra kommer att avslöja högupplöst information om temperaturerna, hastigheter, och sammansättningar av materialet i mitten av galaxen.

Särskilt, Webbs Near Infrared Spectrograph (NIRSpec and Mid-Infrared Instrument (MIRI) kommer att förse forskargruppen med en kombination av data:en bild plus ett spektrum från varje pixel i den bilden. Detta gör det möjligt för forskarna att bygga intrikata 2D-kartor från spektra som hjälper dem att identifiera vad som händer bakom dammslöjan i mitten – och analysera det från många vinklar på djupet.

Jämför denna stil av modellering med analysen av en trädgård. På samma sätt klassificerar botaniker växter baserat på specifika uppsättningar av egenskaper, dessa forskare kommer att klassificera spektra från Webbs MIRI för att konstruera "trädgårdar" eller modeller. "Om du tar en ögonblicksbild av en trädgård på långt avstånd, Marín förklarade, "Du kommer att se något grönt, men med Webb, vi kommer att kunna se enskilda blad och blommor, deras stjälkar, och kanske jorden under."

När forskargruppen gräver i spektra, de kommer att bygga kartor från enskilda delar av trädgården, jämföra ett spektrum med ett annat närliggande spektrum. Detta är analogt med att bestämma vilka delar som innehåller vilka växtarter baserat på jämförelser av "stammar, " "löv, " och "blommor" allt eftersom.

"När det kommer till spektralanalys, vi gör många jämförelser, " fortsatte Marín. "Om jag jämför två spektra i denna region, kanske kommer jag att upptäcka att det som observerades innehåller en framträdande population av unga stjärnor. Eller bekräfta vilka områden som är både dammiga och uppvärmda. Eller kanske kommer vi att identifiera utsläpp som kommer från den aktiva galaktiska kärnan."

Med andra ord, "ekosystemet" av spektra har många nivåer, vilket gör det möjligt för teamet att bättre definiera exakt vad som finns och var det är – vilket möjliggörs av Webbs specialiserade infraröda instrument. Och, eftersom dessa studier kommer att bygga på många som kom tidigare, forskarna kommer att kunna bekräfta, förfina, eller bryt ny mark genom att identifiera nya funktioner.

Väger det svarta hålet i Centaurus A

Kombinationen av bilder och spektra som tillhandahålls av NIRSpec och MIRI kommer att göra det möjligt för teamet att skapa mycket högupplösta kartor över gasens och stjärnornas hastigheter i centrum av Centaurus A. "Vi planerar att använda dessa kartor för att modellera hur hela skivan i mitten av galaxen rör sig för att mer exakt bestämma det svarta hålets massa, " förklarar Lützgendorf.

Eftersom forskare förstår hur gravitationen hos ett svart hål styr rotationen av närliggande gas, de kan använda Webb-data för att väga det svarta hålet i Centaurus A. Med en mer komplett uppsättning infraröda data, de kommer också att avgöra om olika delar av gasen alla beter sig som förväntat. "Jag ser fram emot att fylla i vår data fullt ut, ", sa Lützgendorf. "Jag hoppas få se hur den joniserade gasen beter sig och snurrar, och där vi ser jetplanen."

Forskarna hoppas också kunna bryta ny mark. "Det är möjligt att vi hittar saker som vi inte har tänkt på ännu, " Lützgendorf förklarar. "I vissa aspekter, vi kommer att täcka helt nytt territorium med Webb." Marín håller med helhjärtat, och tillägger att det är ovärderligt att bygga på en mängd befintliga data. "De mest spännande aspekterna med dessa observationer är potentialen för nya upptäckter, " sa hon. "Jag tror att vi kan hitta något som får oss att se tillbaka på andra data och omtolka det som vi sett tidigare."

Dessa studier av Centaurus A kommer att genomföras som en del av Gillian Wright och Pierre Ferruits gemensamma MIRI och NIRSpec Guaranteed Time Observations-program. All Webbs data kommer slutligen att lagras i det allmänt tillgängliga Barbara A. Mikulski Archive for Space Telescopes (MAST) vid Space Telescope Science Institute i Baltimore.