科學家將利用韋伯空間望遠鏡對活躍的超大品質黑洞展開探索
當天文學家在20世紀50年代的全天空無線電觀測中發現點狀物體時,他們並不確定如何對它們進行分類。 它們是恆星、星系還是其他什麼東西? 一個偉大的、新的探索領域就此開啟。 這些準恆星的射電源被稱為類星體,今天我們更好地理解了它們真正的魅力所在。
類星體是活躍的超大品質黑洞,通過光線顯示出自己。 氣體和塵埃圍繞著這些超大品質黑洞不斷摩擦併產生熱量和光,這些我們是可以探測到的。
目前已知的三個最遙遠的類星體則都是從2018年之後發現的–每個都位於130多億光年之外。 詹姆斯-韋伯太空望遠鏡將為研究人員提供這些天體在高解析度紅外光下的新視角。 通過利用這些強大的數據,一個研究小組將完善對其黑洞品質的計算、詳細瞭解其宿主星系中的恆星並調查其附近的星系。 更重要的是,他們的研究可能會影響我們如何看待這個宇宙的早期時代。
用NASA韋伯望遠鏡探究古老的超大品質黑洞
非常遙遠的、活躍的超大品質黑洞是宇宙中最明亮的燈塔。 這些被稱為類星體的龐然大物被同樣遙遠的星系所包圍。 近幾十年來,研究人員進行了一次宇宙尋寶之旅並在過去三年中發現了三個已知的最遙遠的類星體–每個都離地球超過130億光年。 天文學家推斷,超大品質黑洞及其伴隨的星系可能需要數十億年的時間才能形成。 不過這些類星體怎麼可能在宇宙的最初7億年裡變得如此巨大且擁有數十億太陽品質? 一旦能看清它們的光芒,它們伴隨的星系會是什麼樣子的? 它們的「鄰居」又會是什麼樣子的?
這些都是亞利桑那大學的Xiaohui Fan和Jinyi Yang以及德國海德堡馬克斯-普朗克天文研究所的Eduardo Bañados以及一個國際天文學家團隊將通過詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的觀測展開的研究內容。 “這些都是非常有價值的天體,”Fan說道,”我們構建這個計劃是為了學習我們能想到的一切以便我們的團隊和更大的天文界能夠充分探索這些類星體。 ”
韋伯對紅外光的敏感度–包括只能從太空中捕捉到的中紅外波長–將使團隊能夠觀察到這些天體,它們的光已經走過了130億年,其波長已經從紫外線和可見光延伸到紅外光。 韋伯具有無與倫比的靈敏度和空間解析度,這些將説明揭示這些遙遠天體的複雜結構。
研究小组计划在三个范围内观察和分析数据:仔细检查类星体本身、在去除类星体的光线后研究周围宿主星系中的恒星、对附近的星系进行分类。“这些类星体是非常特殊的物体,这就是为什么我们想用韦伯为每个(类星体)提供尽可能好的特征,”Bañados说道。
“放大”–和缩小
Fan、Yang和Bañados没有浪费任何机会。他们将使用韦伯上几乎所有可用的仪器来观测这些类星体。首先,他们将完善对每个超大质量黑洞质量的测量。Yang指出:“这些黑洞的存在挑战了理论模型。我们希望获得对它们质量的更精确测量以提高我们对它们如何形成和快速增长的理解。”
为了提高来自其他天文台的现有测量结果的精确度,他们将转向光谱–由韦伯的近红外光谱仪()NIRSpecBañados提供的详细说明一个天体物理特性的数据,其中包括质量和化学成分。这将使该团队能够产生更准确的黑洞质量。
接下来,他们将重点揭示类星体亮光背后的星系。他们将用韦伯的近红外相机(NIRCam)为每个目标拍摄非常深入、详细的图像,然后用计算机模型将类星体的光从每个目标中去除。最后,经过处理的图像将使他们首次看到来自宿主星系中恒星的光线。该小组还将用韦伯的中红外仪器(MIRI)获得光谱。没有人能完全预测他们会学到什么。这些古老的星系是否更加紧凑?它们的恒星是否包含更多的氢和氦?韦伯肯定会带来新的见解。
另外,研究小组还将获得类星体及其宿主星系的光谱以追踪气体在宿主星系中是如何运动的,另外还将确定活跃的超大质量黑洞是否会发出热风进而加热星系的气体。尽管没有人能够实时观察一个完整的反馈环路,但他们可以用NIRSpec对存在的东西进行采样并开始观察类星体和其宿主星系之间的联系。
此外,他們還將「放大」來觀察這些類星體附近的星系。 韋伯廣泛的高解析度觀測將説明研究小組通過使用韋伯的近紅外成像儀和無縫隙光譜儀(NIRISS)和NIRCam來描述附近的星系。
最後,研究人員還將對類星體周圍的大尺度環境進行採樣–氣體和塵埃的特徵。 宇宙在大爆炸後的7、8億年裡是什麼樣子? 這是一個被稱為「重化時代」的時期,當時星系之間的氣體基本上是不透明的。 只有在宇宙的第一個10億年後,氣體才變得完全透明進而使光更容易傳播。 該小組將用NIRSpec測量我們和類星體之間的一切。 “我們知道,這些類星體存在於宇宙約百分之五十的中性時,”Bañados解釋說,”這些目標代表了宇宙的一個重要時代–基本上是這個過渡時期的高峰。 韋伯將提供關於這一時期的新的約束條件。 ”
Fan、Yang和Bañados將通過向天文界發佈數據和工具來分享這一徹底的觀測計劃的財富以加速對早期宇宙中類星體的整體研究。 Fan說道:「韋伯將幫助我們在理解這些天體方面實現下一個飛躍。 ”
據悉,這項研究將作為韋伯的General Observer專案的一部分進行,這些專案是通過雙匿名審查系統競爭性選擇的,跟哈勃太空望遠鏡的時間分配系統相同。