Zespół wykorzystał symulacje komputerowe do określenia, co właściwie zobaczyłyby kamery Teleskopu Webba. Okazało się, że odróżnienie galaktyki macierzystej od kwazara byłoby w takich przypadkach możliwe, choć nadal trudne ze względu na niewielkie rozmiary tych galaktyk na niebie.
Kwazary to najjaśniejsze obiekty we Wszechświecie. Przyćmiewają blaskiem całe galaktyki wraz z miliardami ich gwiazd. Supermasywna czarna dziura znajduje się w sercu każdego kwazara, ale już nie każda czarna dziura jest kwazarem. Tylko czarne dziury, które odżywiają się okoliczną materią najbardziej żarłocznie, mogą zasilać kwazar. Materiał wpadający do supermasywnej czarnej dziury nagrzewa się wówczas i powoduje, że kwazar leżący w centrum tzw. galaktyki aktywnej świeci we Wszechświecie jasno niczym latarnia morska.
Choć wiadomo, że kwazary znajdują się w centrach galaktyk, trudno jest wciąż określić, jakie są to właściwie galaktyki i jak wyglądają one w porównaniu z galaktykami bez kwazarów. Wyzwanie polega na tym, że blask kwazara utrudnia lub uniemożliwia obserwowanie słabszego światła otaczającej go galaktyki macierzystej. To trochę tak – wyjaśniają naukowcy – jakby patrzeć bezpośrednio w reflektor samochodowy i próbować dowiedzieć się, do jakiego samochodu jest on przymocowany.
Nowe badania sugerują jednak, że Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który ma zostać wystrzelony na orbitę w 2021 roku, będzie w stanie ujawnić także galaktyki macierzyste niektórych odległych kwazarów – i to mimo ich małych rozmiarów oraz zasłaniającego je pyłu.
Chcemy wiedzieć, w jakich galaktykach rezydują te kwazary. To może pomóc nam odpowiedzieć na pytania o to, jak czarne dziury mogą rosnąć tak szybko. Czy istnieje związek pomiędzy masą galaktyki a masą jej centralnej czarnej dziury, tak jak obserwujemy to w pobliskim Wszechświecie? – zastanawia się główna autorka pracy, Madeline Marshall z University of Melbourne w Australii.
Udzielenie odpowiedzi na te pytania jest trudne z wielu powodów. A im bardziej odległa jest dana galaktyka, tym bardziej jej oryginalne światło zostaje rozciągnięte do dłuższych długości fal w wyniku rozszerzania się Wszechświata. W rezultacie wysokoenergetyczne światło ultrafioletowe pochodzące z dysku akrecyjnego otaczającego czarną dziurę lub młode gwiazdy galaktyki zostaje przesunięte do częstotliwości odpowiadających dużo słabszym falom podczerwonym.
W niedawnych badaniach astronomowie wykorzystali możliwości Kosmicznego Teleskopu Hubble'a (również obserwującego niebo w bliskiej podczerwieni) do zbadania znanych kwazarów, w nadziei na dostrzeżenie otaczającej je poświaty ich galaktyk macierzystych. Bez znaczących sukcesów. Sugeruje to, że pył obecny w tych galaktykach przesłania światło ich gwiazd. Detektory podczerwieni Teleskopu Jamesa Webba będą jednak w stanie zajrzeć dużo dalej przez ten pył i odkrywać spowite przez niego galaktyki.
Teleskop Hubble'a po prostu nie widzi wystarczająco daleko w podczerwień. Pod tym względem Teleskop Webba naprawdę się wyróżnia – dodaje Rogier Windhorst z Arizona State University w Tempe, współautor nowych badań.
Aby określić, czego naprawdę można będzie spodziewać się po Teleskopie Jamesa Webba, zespół wykorzystał najnowocześniejszą symulację komputerową o nazwie BlueTides, opracowaną przez zespół kierowany przez Tizianę Di Matteo z Carnegie Mellon University w Pittsburghu w Pensylwanii. BlueTides jest przeznaczona do badań nad powstawaniem i ewolucją galaktyk i kwazarów w pierwszych miliardach lat historii Wszechświata. Jej duża objętość i rozdzielczość przestrzenna umożliwiają statystyczyne oszacowania dla takich rzadkich przypadków kwazarów. BlueTides zapewnia ponadto dobrą zgodność z bieżącymi obserwacjami i dzięki temu pozwala astronomom przewidzieć, co powinien już wkrótce zobaczyć Teleskop Webba.
Zespół odkrył, że galaktyki, w których znajdują się kwazary, są zwykle mniejsze niż wynoszą średnie rozmiary galaktyk, mają przy tym średnice rzędu zaledwie 1/30 średnicy Drogi Mlecznej. Przy tym zawierają jednak prawie tyle samo masy co nasza Galaktyka. To nieco zaskakujące. Galaktyki otrzymywane i „badane” w ramach tej symulacji miały również tendencję do szybkiego formowania gwiazd, do 600 razy szybciej niż wynosi obecne tempo formowania się gwiazd w Drodze Mlecznej.
Odkryliśmy, że te układy gwiazdowe rosną bardzo szybko. Są jak przedwcześnie rozwinięte dzieci, wszystko robią wcześniej –wyjaśnia współautor, Di Matteo.
Zespół wykorzystał symulację komputerową do określenia, co właściwie zobaczyłyby kamery Teleskopu Webba. Okazało się, że odróżnienie galaktyki macierzystej od kwazara byłoby w takich przypadkach możliwe, choć nadal trudne ze względu na niewielkie rozmiary tych galaktyk na niebie.
Naukowcy zastanawiali się również, co spektrografy Webba mogą zbadać w takich systemach. Badania spektralne, w ramach których rozbija się wpadające do teleskopu światło na jego składowe kolory (długości fali), pozwolą tam najprawdopodobniej wyznaczyć skład chemiczny pyłu. Poznanie ilości zawartych w nim ciężkich pierwiastków może pomóc astronomom w zrozumieniu historii powstawania ich gwiazd, ponieważ większość pierwiastków chemicznych jest wytwarzana właśnie w gwiazdach.
Teleskop Webba może również określić, czy dane galaktyki macierzyste są odizolowane, czy nie. Badania wykazały, że większość kwazarów miała wykrywalne galaktyki towarzyszące, ale nie udało się już określić, czy te galaktyki faktycznie znajdują się w pobliżu, czy też są przypadkowymi nałożeniami się obiektów pierwszego planu na dany kwazar. Możliwości spektralne Teleskopu Webba pozwolą jednak astronomom zmierzyć przesunięcia ku czerwieni tych obiektów, a tym samym ich rzeczywiste odległości, i określić, czy faktyczne znajdują się one dokładnie w tej samej odległości od nas co dany kwazar.
Ostatecznie obserwacje prowadzone z udziałem Teleskopu Webba powinny dostarczyć nowych informacji na temat tych ekstremalnych układów galaktycznych. Astronomowie wciąż mają trudności ze zrozumieniem, jak czarna dziura może urosnąć do masy miliard razy większej niż nasze Słońce w ciągu zaledwie miliarda lat.
Tak wielkie czarne dziury nie powinny istnieć tak wcześnie we Wszechświecie, ponieważ nie było wystarczająco dużo czasu, aby urosły do tak olbrzymich mas – dodaje współautor pracy, Stuart Wyithe z University of Melbourne.
Czytaj więcej:
- Oryginalny artykuł prasowy
- Oryginalna publikacja: The Host Galaxies of z = 7 Quasars: Predictions from the BLUETIDES Simulation, Madeline A Marshall et al., 2020 October 5, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Źródło: Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
Na zdjęciu: Wizja artystyczna przedstawiająca dwie galaktyki, które istniały już w ciągu pierwszego miliarda lat życia Wszechświata. W większej galaktyce po lewej stronie znajduje się bardzo jasny kwazar, którego blask jest zasilany przez gorącą materię otaczającą supermasywną czarną dziurę. Naukowcy obliczyli, że rozdzielczość i czułość w zakresie podczerwieni przyszłego Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba pozwolą na wykrywanie takich pyłowych galaktyk macierzystych, pomimo ogromnej jasności samego kwazara.
Źródło: J. Olmsted.
