När en stjärna föds eller dör, eller när något annat mycket energiskt fenomen inträffar i universum, sänder den ut röntgenstrålar, som är ljuspartiklar med hög energi som inte är synliga för blotta ögat. Dessa röntgenbilder är samma typ som läkare använder för att ta bilder av brutna ben inuti kroppen. Men istället för att titta på skuggorna som produceras av benen som stoppar röntgenstrålning inuti en person, upptäcker astronomer röntgenstrålar som flyger genom rymden för att få bilder av händelser som svarta hål och supernovor.
Bilder och spektra – diagram som visar fördelningen av ljus över olika våglängder från ett objekt – är de två huvudsakliga sätten som astronomer undersöker universum på. Bilder berättar för dem hur saker ser ut och var vissa fenomen händer, medan spektra talar om för dem hur mycket energi fotonerna, eller ljuspartiklarna, de samlar in har. Spectra kan ge dem en ledtråd till hur händelsen de kom från bildades. När man studerar komplexa objekt behöver de både avbildning och spektra.
Forskare och ingenjörer designade Chandra X-ray Observatory för att upptäcka dessa röntgenstrålar. Sedan 1999 har Chandras data gett astronomer otroligt detaljerade bilder av några av universums mest dramatiska händelser.
Stjärnor som bildas och dör skapar supernovaexplosioner som skickar kemiska grundämnen ut i rymden. Chandra ser gas och stjärnor falla in i svarta håls djupa gravitationskrafter, och det vittnar om gas som är tusen gånger varmare än solen flyr ut från galaxer i explosiva vindar. Den kan se när gravitationen hos enorma massor av mörk materia fångar den heta gasen i gigantiska fickor.
NASA designade Chandra att kretsa runt jorden eftersom den inte skulle kunna se någon av denna aktivitet från jordens yta. Jordens atmosfär absorberar röntgenstrålar från rymden, vilket är bra för livet på jorden eftersom dessa röntgenstrålar kan skada biologiska organismer. Men det betyder också att även om NASA placerade Chandra på den högsta bergstoppen, skulle den fortfarande inte kunna upptäcka några röntgenstrålar. NASA behövde skicka Chandra ut i rymden.
Jag är astrofysiker vid Smithsonian Astrophysical Observatory, en del av Center for Astrophysics | Harvard och Smithsonian. Jag har arbetat på Chandra sedan innan den lanserades för 25 år sedan, och det har varit ett nöje att se vad observatoriet kan lära astronomer om universum.
Supermassiva svarta hål och deras värdgalaxer
Astronomer har hittat supermassiva svarta hål, som har en massa tio till 100 miljoner gånger vår sols massa, i mitten av alla galaxer. Dessa supermassiva svarta hål sitter mestadels lugnt där och astronomer kan upptäcka dem genom att titta på gravitationskraften de utövar på närliggande stjärnor.
Men ibland faller stjärnor eller moln in i dessa svarta hål, vilket aktiverar dem och gör att området nära det svarta hålet sänder ut massor av röntgenstrålar. När de väl har aktiverats kallas de aktiva galaktiska kärnor, AGN eller kvasarer.
Mina kollegor och jag ville bättre förstå vad som händer med värdgalaxen när dess svarta hål förvandlas till en AGN. Vi valde en galax, ESO 428-G014, att titta på med Chandra.
En AGN kan överglänsa sin värdgalax, vilket innebär att mer ljus kommer från AGN än alla stjärnor och andra objekt i värdgalaxen. AGN avsätter också mycket energi inom gränserna för sin värdgalax. Denna effekt, som astronomer kallar feedback, är en viktig ingrediens för forskare som bygger simuleringar som modellerar hur universum utvecklas över tiden. Men vi vet fortfarande inte riktigt hur stor roll energin från en AGN spelar i bildandet av stjärnor i dess värdgalax.
Lyckligtvis kan bilder från Chandra ge viktig insikt. Jag använder beräkningstekniker för att bygga och bearbeta bilder från observatoriet som kan berätta för mig om dessa AGN.
Det aktiva supermassiva svarta hålet i ESO 428-G014 producerar röntgenstrålar som lyser upp ett stort område och sträcker sig så långt som 15 000 ljusår bort från det svarta hålet. Den grundläggande bilden som jag genererade av ESO 428-G014 med Chandra-data säger mig att regionen nära centrum är den ljusaste och att det finns en stor, långsträckt region med röntgenstrålning.
Samma data, med en något högre upplösning, visar två distinkta regioner med hög röntgenstrålning. Det finns ett "huvud" som omsluter mitten och en lätt böjd "svans" som sträcker sig ner från denna centrala region.
Jag kan även bearbeta datan med en adaptiv utjämningsalgoritm som får bilden till en ännu högre upplösning och skapar en tydligare bild av hur galaxen ser ut. Detta visar gasmoln runt den ljusa mitten.
Mitt team har kunnat se några av sätten som AGN interagerar med galaxen. Bilderna visar kärnvindar som sveper över galaxen, täta moln och interstellär gas som reflekterar röntgenljus och jetstrålar som skjuter ut radiovågor som värmer upp molnen i galaxen.
Dessa bilder lär oss hur denna feedbackprocess fungerar i detalj och hur man mäter hur mycket energi en AGN avsätter. Dessa resultat kommer att hjälpa forskare att producera mer realistiska simuleringar av hur universum utvecklas.
År 2024 är det 25:e året sedan Chandra började göra observationer av himlen. Mina kollegor och jag fortsätter att vara beroende av Chandra för att svara på frågor om universums ursprung som inget annat teleskop kan.
Genom att förse astronomer med röntgendata kompletterar Chandras data information från rymdteleskopet Hubble och rymdteleskopet James Webb för att ge astronomerna unika svar på öppna frågor inom astrofysik, som var de supermassiva svarta hålen som finns i alla galaxers centrum kom. från.
För just denna fråga använde astronomer Chandra för att observera en avlägsen galax som först observerades av rymdteleskopet James Webb. Denna galax avgav ljuset som fångades av Webb för 13,4 miljarder år sedan, när universum var ungt. Chandras röntgendata avslöjade ett ljust supermassivt svart hål i denna galax och antydde att supermassiva svarta hål kan bildas av de kollapsande molnen i det tidiga universum.
Skarp avbildning har varit avgörande för dessa upptäckter. Men Chandra förväntas bara hålla i 10 år till. För att fortsätta sökandet efter svar kommer astronomer att behöva börja designa ett "super Chandra" röntgenobservatorium som kan efterträda Chandra under kommande decennier, även om NASA ännu inte har meddelat några bestämda planer på att göra det.
Tillhandahålls av The Conversation
Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln. 
