kvasarer är mycket ljusa, avlägsna och aktiva supermassiva svarta hål som är miljoner till miljarder gånger solens massa. Vanligtvis beläget i centrum av galaxer, de livnär sig på infallande materia och släpper lös fantastiska strömmar av strålning. Bland de ljusaste föremålen i universum, en kvasars ljus överträffar det av alla stjärnor i dess värdgalax tillsammans, och dess jetstrålar och vindar formar galaxen där den bor.

Kort efter lanseringen senare i år, ett team av forskare kommer att träna NASA:s rymdteleskop James Webb på sex av de mest avlägsna och lysande kvasarerna. De kommer att studera egenskaperna hos dessa kvasarer och deras värdgalaxer, och hur de var sammankopplade under de första stadierna av galaxevolutionen i det mycket tidiga universum. Teamet kommer också att använda kvasarerna för att undersöka gasen i utrymmet mellan galaxer, särskilt under perioden av kosmisk återjonisering, som slutade när universum var mycket ung. De kommer att åstadkomma detta genom att använda Webbs extrema känslighet för låga ljusnivåer och dess enastående vinkelupplösning.

Webb:Besöker det unga universum

När Webb tittar djupt in i universum, det kommer faktiskt att se tillbaka i tiden. Ljus från dessa avlägsna kvasarer började sin resa till Webb när universum var mycket ung, och det tog miljarder år att komma fram. Vi kommer att se saker som de var för länge sedan, inte som de är idag.

"Alla dessa kvasarer vi studerar existerade väldigt tidigt, när universum var mindre än 800 miljoner år gammalt, eller mindre än 6 procent av sin nuvarande ålder. Så dessa observationer ger oss möjlighet att studera galaxens evolution och supermassiva svarta håls bildning och evolution vid dessa mycket tidiga tider, " förklarade teammedlemmen Santiago Arribas, en forskningsprofessor vid institutionen för astrofysik vid Centre for Astrobiology i Madrid, Spanien. Arribas är också medlem i Webbs Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) Instrument Science Team.

Ljuset från dessa mycket avlägsna föremål har sträckts ut genom utvidgningen av rymden. Detta är känt som kosmologisk rödförskjutning. Ju längre ljuset måste färdas, desto mer rödförskjuts den. Faktiskt, det synliga ljuset som sänds ut i det tidiga universum sträcks så dramatiskt att det förskjuts ut i det infraröda när det kommer till oss. Med sin svit av infrarödstämda instrument, Webb är unikt lämpad för att studera denna typ av ljus.

Studerar kvasarer, deras värdgalaxer och miljöer, och deras kraftfulla utflöden

De kvasarer som teamet kommer att studera är inte bara bland de mest avlägsna i universum, men också bland de ljusaste. Dessa kvasarer har vanligtvis de högsta svarta hålsmassorna, och de har också de högsta ansamlingshastigheterna - de hastigheter med vilka material faller in i de svarta hålen.

"Vi är intresserade av att observera de mest lysande kvasarerna eftersom den mycket höga mängden energi som de genererar nere i sina kärnor borde leda till den största påverkan på värdgalaxen av mekanismer som kvasarutflöde och uppvärmning, sa Chris Willott, en forskare vid Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Center vid National Research Council of Canada (NRC) i Victoria, British Columbia. Willott är också den kanadensiska rymdorganisationens Webb-projektforskare. "Vi vill observera dessa kvasarer i det ögonblick då de har störst inverkan på sina värdgalaxer."

En enorm mängd energi frigörs när materia ansamlas av det supermassiva svarta hålet. Denna energi värmer och trycker den omgivande gasen utåt, genererar starka utflöden som river över det interstellära rymden som en tsunami, orsakar förödelse på värdgalaxen.

Utflöden spelar en viktig roll i galaxens evolution. Gas ger bränsle till bildandet av stjärnor, så när gas avlägsnas på grund av utflöden, stjärnbildningshastigheten minskar. I vissa fall, utflöden är så kraftfulla och driver ut så stora mängder gas att de helt kan stoppa stjärnbildningen i värdgalaxen. Forskare tror också att utflöden är den huvudsakliga mekanismen genom vilken gas, damm och element omfördelas över stora avstånd inom galaxen eller kan till och med drivas ut i utrymmet mellan galaxerna – det intergalaktiska mediet. Detta kan provocera fram grundläggande förändringar i egenskaperna hos både värdgalaxen och det intergalaktiska mediet.

Undersöker egenskaperna hos det intergalaktiska rymden under eran av återjonisering

För mer än 13 miljarder år sedan, när universum var mycket ung, utsikten var långt ifrån fri. Neutral gas mellan galaxer gjorde universum ogenomskinligt för vissa typer av ljus. Under hundratals miljoner år, den neutrala gasen i det intergalaktiska mediet blev laddad eller joniserad, gör den transparent för ultraviolett ljus. Denna period kallas era av återjonisering. Men vad ledde till återjoniseringen som skapade de "klara" förhållanden som upptäcks i stora delar av universum idag? Webb kommer att titta djupt ut i rymden för att samla in mer information om denna stora övergång i universums historia. Observationerna kommer att hjälpa oss att förstå eran av återjonisering, som är en av nyckelgränserna inom astrofysik.

Teamet kommer att använda kvasarer som bakgrundsljuskällor för att studera gasen mellan oss och kvasaren. Den gasen absorberar kvasarens ljus vid specifika våglängder. Genom en teknik som kallas avbildningsspektroskopi, de kommer att leta efter absorptionslinjer i den mellanliggande gasen. Ju ljusare kvasaren är, desto starkare kommer dessa absorptionslinjeegenskaper att vara i spektrumet. Genom att avgöra om gasen är neutral eller joniserad, forskare kommer att lära sig hur neutralt universum är och hur mycket av denna återjoniseringsprocess som har inträffat vid den specifika tidpunkten.

"Om du vill studera universum, du behöver mycket ljusa bakgrundskällor. En kvasar är det perfekta objektet i det avlägsna universum, eftersom det är så ljust att vi kan se det väldigt bra, " sa teammedlemmen Camilla Pacifici, som är knuten till Canadian Space Agency men arbetar som instrumentforskare vid Space Telescope Science Institute i Baltimore. "Vi vill studera det tidiga universum eftersom universum utvecklas, och vi vill veta hur det började."

Teamet kommer att analysera ljuset som kommer från kvasarerna med NIRSpec för att leta efter vad astronomer kallar "metaller, " som är grundämnen tyngre än väte och helium. Dessa grundämnen bildades i de första stjärnorna och de första galaxerna och drevs ut genom utflöden. Gasen rör sig ut ur de galaxer den ursprungligen befann sig i och in i det intergalaktiska mediet. Teamet planerar att mäta generering av dessa första "metaller, "liksom hur de pressas ut i det intergalaktiska mediet av dessa tidiga utflöden.

Kraften i Webb

Webb är ett extremt känsligt teleskop som kan upptäcka mycket låga ljusnivåer. Det här är viktigt, för även om kvasarerna i sig är väldigt ljusa, de som detta team kommer att observera är bland de mest avlägsna objekten i universum. Faktiskt, de är så långt borta att signalerna som Webb kommer att få är mycket, väldigt låg. Endast med Webbs utsökta känslighet kan denna vetenskap uppnås. Webb ger också utmärkt vinkelupplösning, vilket gör det möjligt att distrahera ljuset från kvasaren från dess värdgalax.

De kvasarprogram som beskrivs här är Guaranteed Time Observations som involverar NIRSpecs spektroskopiska kapacitet.