O telescópio Webb da NASA vai olhar para trás no tempo e usar quasares para desvendar os mistérios do universo primitivo

Este é o conceito artístico de uma galáxia com um quasar brilhante em seu centro. Um quasar é um buraco negro supermassivo muito brilhante, distante e ativo que tem milhões a bilhões de vezes a massa do sol. Entre os objetos mais brilhantes do universo, a luz de um quasar supera a de todas as estrelas em sua galáxia hospedeira combinadas. Os quasares se alimentam de matéria incidente e liberam correntes de vento e radiação que moldam as galáxias em que residem. Usando as capacidades únicas de Webb, os cientistas vão estudar seis dos quasares mais distantes e luminosos do universo. Crédito da foto: NASA, ESA e J. Olmsted (STScI)

Quasares são buracos negros supermassivos muito brilhantes, distantes e ativos que têm milhões a bilhões de vezes a massa do sol. Eles geralmente estão localizados no centro das galáxias, alimentando-se de matéria incidente e liberando fantásticos fluxos de radiação. Entre os objetos mais brilhantes do universo, a luz de um quasar supera a de todas as estrelas em sua galáxia hospedeira combinadas, e seus jatos e ventos moldam a galáxia em que reside.

Logo após seu lançamento, no final deste ano, uma equipe de cientistas treinará o Telescópio Espacial James Webb da NASA em seis dos quasares mais distantes e brilhantes. Você vai estudar as propriedades desses quasares e de suas galáxias hospedeiras e como eles estão interconectados durante os primeiros estágios da evolução da galáxia, no início do universo. A equipe também usará os quasares para estudar o gás no espaço entre as galáxias, principalmente durante o período de reionização cósmica, que terminou quando o universo era muito jovem. Você consegue isso com a ajuda da extrema sensibilidade de Webb a baixos níveis de luz e sua excelente resolução angular.

(Clique na imagem para ver o infográfico completo.) Mais de 13 bilhões de anos atrás, durante a era da reionização, o universo era um lugar muito diferente. O gás entre as galáxias era amplamente impermeável à luz de alta energia, o que tornava difícil observar galáxias jovens. O que permitiu que o universo se tornasse totalmente ionizado, ou transparente, o que acabou levando às condições “claras” que são encontradas em grande parte do universo hoje? O Telescópio Espacial James Webb examinará profundamente o espaço para reunir mais informações sobre os objetos que existiram durante a era da reionização para nos ajudar a compreender esta importante transição na história do universo. Crédito da foto: NASA, ESA e J. Kang (STScI)

Webb: Uma visita ao universo jovem

Quando Webb olha profundamente no universo, ele realmente olha para trás no tempo. A luz desses quasares distantes começou sua jornada para Webb quando o universo era muito jovem e levou bilhões de anos para chegar. Veremos as coisas como eram há muito tempo, não como são hoje.

“Todos esses quasares que estamos estudando existiram muito cedo, quando o universo tinha menos de 800 milhões de anos, ou menos de 6% de sua idade atual. Portanto, essas observações nos dão a oportunidade de estudar a evolução da galáxia e a formação e evolução de buracos negros supermassivos nestes tempos muito antigos ”, disse o membro da equipe Santiago Arribas, professor de pesquisa do Departamento de Astrofísica do Centro de Astrobiologia em Madrid, Espanha. Arribas também é membro da Instrument Science Team (NIRSpec) da Webb.

(Clique na imagem para ver o infográfico completo.) O universo está se expandindo, e essa expansão estica a luz que viaja pelo espaço em um fenômeno conhecido como redshift cosmológico. Quanto maior for o desvio para o vermelho, maior será a distância que a luz percorreu. Portanto, telescópios com detectores infravermelhos são necessários para ver a luz das primeiras galáxias mais distantes. Crédito da foto: NASA, ESA e L. Hustak (STSci)

A luz desses objetos muito distantes foi esticada pela expansão do espaço. Isso é conhecido como redshift cosmológico. Quanto mais longe a luz tem que viajar, mais ela é desviada para o vermelho. Na verdade, a luz visível emitida no início do universo é esticada de forma tão dramática que, quando chega, é deslocada para o infravermelho. Com sua gama de instrumentos sintonizados por infravermelho, Webb é o único adequado para estudar esse tipo de luz.

O estudo de quasares, suas galáxias hospedeiras e ambientes, e seus poderosos fluxos de saída

Os quasares que a equipe estudará não são apenas alguns dos mais distantes do universo, mas também alguns dos mais brilhantes. Esses quasares normalmente têm as massas mais altas de buracos negros e também as taxas mais altas de acreção – as velocidades nas quais o material cai nos buracos negros.

“Estamos interessados ​​em observar os quasares mais luminosos porque a quantidade muito alta de energia que eles geram em seus núcleos deve levar aos maiores efeitos na galáxia hospedeira por meio de mecanismos como efluxo de quasares e aquecimento”, disse Chris Willott, pesquisador da Astronomia Herzberg e Astrophysics Research Centre do National Research Council of Canada (NRC) em Victoria, British Columbia. Willott também é o cientista do projeto Webb da Agência Espacial Canadense. “Queremos observar esses quasares no momento em que eles têm o maior impacto em suas galáxias hospedeiras.”

Quando a matéria é agregada pelo buraco negro supermassivo, uma enorme quantidade de energia é liberada. Esta energia aquece e empurra o gás circundante para fora, criando fluxos poderosos que rasgam o espaço interestelar como um tsunami e devastam a galáxia hospedeira.

Observe como os jatos e ventos de um buraco negro supermassivo afetam sua galáxia hospedeira – e o espaço a centenas de milhares de anos-luz de distância por milhões de anos. Crédito da foto: NASA, ESA e L. Hustak (STScI)

Os fluxos de saída desempenham um papel importante na evolução da galáxia. O gás impulsiona a formação de estrelas. Portanto, quando o gás é removido devido ao vazamento, a taxa de formação de estrelas diminui. Em alguns casos, os fluxos de saída são tão fortes e emitem grandes quantidades de gás que podem impedir completamente a formação de estrelas dentro da galáxia hospedeira. Os cientistas também acreditam que fluxos de saída são o principal mecanismo pelo qual gás, poeira e elementos podem ser redistribuídos por grandes distâncias dentro da galáxia ou até mesmo ejetados para o espaço entre as galáxias – o meio intergaláctico. Isso pode levar a mudanças fundamentais nas propriedades da galáxia hospedeira e do meio intergaláctico.

Investigação das propriedades do espaço intergaláctico na era da reionização

Mais de 13 bilhões de anos atrás, quando o universo era muito jovem, a visão estava longe de ser clara. O gás neutro entre as galáxias tornou o universo impermeável a alguns tipos de luz. Por centenas de milhões de anos, o gás neutro no meio intergaláctico foi carregado ou ionizado, tornando-o transparente à luz ultravioleta. Este período é denominado era da reionização. Mas o que levou à reionização que criou as condições “claras” que são encontradas em grandes partes do universo hoje? Webb vai olhar fundo no espaço para reunir mais informações sobre essa importante transição na história do universo. As observações nos ajudarão a entender a era da reionização, que é uma das mais importantes fronteiras da astrofísica.

A equipe usará quasares como fontes de luz de fundo para examinar o gás entre nós e o quasar. Este gás absorve a luz do quasar em certos comprimentos de onda. Usando uma técnica chamada espectroscopia de imagem, eles procuram linhas de absorção no gás intermediário. Quanto mais brilhante o quasar, mais fortes são esses recursos de linha de absorção no espectro. Ao determinar se o gás é neutro ou ionizado, os cientistas aprendem o quão neutro é o universo e quanto desse processo de reionização ocorreu naquele momento específico.

O Telescópio Espacial James Webb usará um instrumento inovador chamado Unidade de Campo Integral (IFU) para capturar imagens e espectros simultaneamente. Este vídeo oferece uma visão geral básica de como funcionam as instruções de uso. Crédito da foto: NASA, ESA, CSA e L. Hustak (STScI)

“Se você quer estudar o universo, você precisa de fontes de fundo muito brilhantes. Um quasar é o objeto perfeito no universo distante porque é brilhante o suficiente para que possamos vê-lo muito bem ”, disse Camilla Pacifici, membro da equipe, que é afiliada à Agência Espacial Canadense, mas é cientista de instrumentos no Instituto de Ciência do Telescópio Espacial em Baltimore . “Queremos estudar o universo primitivo porque o universo está evoluindo e queremos saber como tudo começou.”

A equipe usará o NIRSpec para analisar a luz que emana dos quasares para procurar o que os astrônomos chamam de “metais”, que são elementos mais pesados ​​que o hidrogênio e o hélio. Esses elementos foram formados nas primeiras estrelas e galáxias e ejetados através de fluxos de saída. O gás está se movendo para fora das galáxias em que estava originalmente e para o meio intergaláctico. A equipe planeja medir a formação desses primeiros “metais” e como eles são empurrados para o meio intergaláctico por esses fluxos iniciais.

O poder de Webb

Webb é um telescópio extremamente sensível que pode detectar quantidades muito pequenas de luz. Isso é importante porque, embora os quasares sejam naturalmente muito brilhantes, os observados por esta equipe estão entre os objetos mais distantes do universo. Na verdade, eles estão tão distantes que os sinais que Webb está recebendo são muito, muito fracos. Somente com a sensibilidade requintada de Webb essa ciência pode ser alcançada. Webb também oferece excelente resolução angular que permite que a luz do quasar se desvie de sua galáxia hospedeira.

Os programas de quasar descritos aqui são Observações com tempo garantido levando em consideração as capacidades espectroscópicas do NIRSpec.

O Telescópio Espacial James Webb será o principal observatório de ciências espaciais do mundo quando for lançado em 2021. Webb irá desvendar segredos em nosso sistema solar, perscrutar mundos distantes ao redor de outras estrelas e investigar as misteriosas estruturas e origens de nosso universo e nosso lugar. Webb é um programa internacional liderado pela NASA com seus parceiros ESA (European Space Agency) e a Canadian Space Agency.