Il telescopio Webb della NASA guarderà indietro nel tempo, usando i quasar per rivelare i segreti dell’universo primordiale

I quasar sono buchi neri estremamente luminosi, distanti e attivi con una massa da milioni a miliardi di volte la massa del Sole. Solitamente situati al centro delle galassie, si nutrono di materia in caduta libera e rilasciano fantastici torrenti di radiazioni. Tra le cose più luminose dell’universo, la luce quasar illumina collettivamente tutte le stelle nella sua galassia ospite e i suoi getti e venti modellano la galassia in cui risiede.

Poco dopo il suo lancio alla fine di quest’anno, un team di scienziati addestrerà il James Webb Space Telescope della NASA su sei dei quasar più distanti e luminosi. Studieranno le proprietà di questi quasar e delle loro galassie ospiti e come sono interconnessi durante le prime fasi dell’evoluzione galattica nell’universo primordiale. Il team utilizzerà anche i quasar per esaminare il gas nello spazio intergalattico, in particolare durante il periodo di reionizzazione cosmica, terminato quando l’universo era molto giovane. Lo faranno con l’estrema sensibilità di Webb ai bassi livelli di luce e l’impressionante risoluzione angolare.

(Clicca sull’immagine per vedere il diagramma completo.) Oltre 13 miliardi di anni fa, durante l’era della reionizzazione, l’universo era un posto completamente diverso. Il gas intergalattico era troppo opaco per la luce energetica, rendendo difficile l’osservazione delle giovani galassie. Cosa ha permesso all’universo di diventare completamente ionizzato, o trasparente, che alla fine ha portato alle condizioni “ovvie” rilevate nella maggior parte dell’universo oggi? Il James Webb Space Telescope approfondirà lo spazio per raccogliere maggiori informazioni su cose che esistevano durante l’era della reionizzazione per aiutarci a capire questo importante cambiamento nella storia dell’universo. Credito: NASA, ESA e J.Kang (STScI)

Webb: Visitare il giovane universo

Mentre Webb guarda nelle profondità dell’universo, guarderà indietro nel tempo. La luce di questi lontani quasar ha iniziato il suo viaggio verso Webb quando l’universo era molto giovane e ha impiegato miliardi di anni per raggiungerlo. Vedremo le cose come erano molto tempo fa, non come sono oggi.

“Tutti questi quasar che studiamo esistevano molto presto, quando l’universo aveva meno di 800 milioni di anni, o meno del 6% della sua età attuale. Quindi queste osservazioni ci danno l’opportunità di studiare l’evoluzione delle galassie e la formazione e l’evoluzione dei buchi neri supermassicci in questi primi tempi. Molto”, ha spiegato il membro del team Santiago Arribas, professore di ricerca presso il Dipartimento di Astrofisica presso il Centro di Astrobiologia di Madrid, in Spagna. Arribas è anche membro del Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) Instrument Science Team di Webb.

(Clicca sull’immagine per vedere il diagramma completo.) L’universo si sta espandendo e questa espansione estende la luce che viaggia attraverso lo spazio in un fenomeno noto come redshift cosmico. Maggiore è il redshift, maggiore è la distanza percorsa dalla luce. Di conseguenza, sono necessari telescopi dotati di rivelatori a infrarossi per vedere la luce delle prime e più lontane galassie. Credito: NASA, ESA e L. Hustak (STSc)

La luce di questi oggetti molto distanti è stata allungata a causa dell’espansione dello spazio. Questo è noto come il redshift cosmico. Più lontana è la luce, maggiore è il redshift. In effetti, la luce visibile dell’universo primordiale è allungata così tanto da trasformarsi in radiazione infrarossa quando ci raggiunge. Con una serie di strumenti sintonizzati a infrarossi, Webb è particolarmente adatto allo studio di questo tipo di luce.

Lo studio dei quasar, delle loro galassie, dei loro ambienti ospiti e dei loro potenti flussi

I quasar che il team studierà non sono solo tra i più distanti dell’universo, ma anche tra i più luminosi. Questi quasar di solito hanno la massa più alta di buchi neri e hanno anche i più alti tassi di accrescimento – i tassi a cui il materiale cade nei buchi neri.

“Siamo interessati ad osservare i quasar più luminosi perché la quantità molto elevata di energia che generano nei loro nuclei dovrebbe portare al massimo impatto sulla galassia ospite attraverso meccanismi come il flusso e il riscaldamento dei quasar”, ha affermato Chris. Willott, ricercatore presso l’Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Center del National Research Council (NRC) del Canada a Victoria, British Columbia. Willott è anche Webb Project Scientist del CSA. “Vogliamo osservare questi quasar nel momento in cui hanno il maggiore impatto sulle galassie ospiti”.

Un’enorme quantità di energia viene rilasciata quando la materia si accumula dal buco nero supermassiccio. Questa energia si riscalda e spinge il gas circostante verso l’esterno, generando potenti flussi in uscita che squarciano lo spazio interstellare come uno tsunami, provocando il caos nella galassia ospite.

Guarda come i getti e i venti di un buco nero supermassiccio influenzano la galassia ospite e lo spazio a centinaia di migliaia di anni luce di distanza per milioni di anni. Credito: NASA, ESA e L. Hustak (STScI)

I deflussi svolgono un ruolo importante nell’evoluzione delle galassie. Il gas alimenta la formazione stellare, quindi quando il gas viene rimosso a causa dei deflussi, il tasso di formazione stellare diminuisce. In alcuni casi, i flussi in uscita sono così potenti da espellere così grandi quantità di gas da poter fermare completamente la formazione stellare all’interno della galassia ospite. Gli scienziati ritengono inoltre che i deflussi siano il meccanismo principale mediante il quale gas, polvere ed elementi vengono ridistribuiti su grandi distanze all’interno della galassia o addirittura possono essere espulsi nello spazio intergalattico, il mezzo intergalattico. Ciò potrebbe innescare cambiamenti fondamentali nelle proprietà sia della galassia ospite che del mezzo intergalattico.

Esaminare le proprietà dello spazio intergalattico durante l’era della reionizzazione

Più di 13 miliardi di anni fa, quando l’universo era molto giovane, il paesaggio era tutt’altro che limpido. Il gas neutro tra le galassie ha reso l’universo opaco ad alcuni tipi di luce. Nel corso di centinaia di milioni di anni, il gas neutro nel mezzo intergalattico si è caricato o ionizzato, rendendolo trasparente alla luce ultravioletta. Questo periodo è chiamato l’era della reionizzazione. Ma cosa ha portato alla reionizzazione che ha creato le condizioni “ovvie” che vengono rilevate nella maggior parte dell’universo oggi? Webb approfondirà lo spazio per raccogliere ulteriori informazioni su questa importante trasformazione nella storia dell’universo. Le osservazioni ci aiuteranno a capire l’era della reionizzazione, una delle maggiori frontiere dell’astrofisica.

Il team utilizzerà i quasar come sorgenti luminose di sfondo per studiare il gas tra noi e il quasar. Questo gas assorbe la luce del quasar a lunghezze d’onda specifiche. Attraverso una tecnica chiamata spettroscopia di imaging, cercheranno le linee di assorbimento nel gas interferente. E più luminoso è il quasar, più forti sono le caratteristiche della linea di assorbimento nello spettro. Determinando se il gas è neutro o ionizzato, gli scienziati impareranno quanto è neutro l’universo e quanto questo processo di reionizzazione si verifica in quel particolare momento.

Il James Webb Space Telescope utilizzerà uno strumento innovativo chiamato Integrated Field Unit (IFU) per catturare immagini e spettri allo stesso tempo. Questo video fornisce una panoramica di base del funzionamento delle IFU. Credito: NASA, ESA, CSA e L. Hustak (STScI)

“Se vuoi studiare l’universo, hai bisogno di fonti di sfondo molto luminose. Un quasar è la cosa perfetta nell’universo lontano, perché è abbastanza luminoso”, ha detto il membro del team Camilla Pacifici, che è affiliato con l’Agenzia spaziale canadese ma lavora come scienziato dello strumento presso lo Space Telescope Science Institute. Quindi possiamo vederlo molto bene.A Baltimora. “Vogliamo studiare l’universo primordiale perché l’universo si sta evolvendo e vogliamo sapere come è iniziato”.

Il team analizzerà la luce proveniente dai quasar utilizzando NIRSpec per cercare quelli che gli astronomi chiamano “metalli”, elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio. Questi elementi si sono formati nelle prime stelle e nelle prime galassie e sono stati espulsi dai deflussi. Il gas si sposta dalle galassie in cui si trovava originariamente e nel mezzo intergalattico. Il team prevede di misurare la generazione di questi primi “metalli”, nonché il modo in cui vengono spinti nel mezzo intergalattico da questi primi deflussi.

Potenza web Web

Webb è un telescopio altamente sensibile in grado di rilevare livelli di luce molto bassi. Questo è significativo, perché sebbene i quasar siano intrinsecamente molto luminosi, quelli che questa squadra osserverà sono tra gli oggetti più distanti nell’universo. In effetti, sono così lontani che i segnali che riceverà Webb sono molto, molto bassi. Solo con la notevole sensibilità di Webb si può realizzare questa scienza. Webb fornisce anche un’eccellente risoluzione angolare, che rende possibile separare la luce del quasar dalla sua galassia ospite.

I programmi quasar qui descritti sono Note temporali garantite coinvolgendo le capacità spettrali di NIRSpec.

Il James Webb Space Telescope sarà il principale osservatorio di scienze spaziali al mondo quando verrà lanciato nel 2021. Webb risolverà i misteri del nostro sistema solare, guarderà oltre i mondi lontani intorno ad altre stelle e sonderà le misteriose strutture e origini dell’universo e il nostro posto in esso. Webb è un programma internazionale guidato dalla NASA con i suoi partner ESA (European Space Agency) e Canadian Space Agency.