James Webb estudará quasares para decifrar o universo primitivo

Quasares são buracos negros supermassivos muito brilhantes, distantes e ativos que têm milhões a bilhões de vezes a massa do Sol. Normalmente localizados no centro das galáxias, eles se alimentam de matéria em queda e liberam fantásticas torrentes 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 luminosos. Eles vão estudar as propriedades desses quasares e de suas galáxias hospedeiras, e como eles estão interconectados durante os primeiros estágios da evolução da galáxia no universo inicial. A equipe também usará os quasares para examinar o gás no espaço entre as galáxias, principalmente durante o período de reionização cósmica, que terminou quando o universo era muito jovem. Eles farão isso usando a extrema sensibilidade de Webb a baixos níveis de luz e sua excelente resolução angular. 

Webb: Visitando o Universo Jovem

À medida que Webb perscruta as profundezas do 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 existiam muito cedo, quando o universo tinha menos de 800 milhões de anos, ou menos de 6 por cento 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 nesses primeiros tempos ", explicou o membro da equipe Santiago Arribas, professor pesquisador do Departamento de Astrofísica do Centro de Astrobiologia de Madri, Espanha. Arribas também é membro da equipe de ciência de instrumentos de espectrografia de infravermelho próximo (NIRSpec) de Webb. 

A luz desses objetos muito distantes foi esticada pela expansão do espaço. Isso é conhecido como redshift cosmológico. Quanto mais longe a luz precisa 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 é desviada para o infravermelho quando chega até nós. Com seu conjunto de instrumentos sintonizados por infravermelho, Webb é especialmente adequado para estudar esse tipo de luz. 

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

Os quasares que a equipe estudará não estão apenas entre os mais distantes do universo, mas também entre os mais brilhantes. Esses quasares normalmente têm as maiores massas de buracos negros e também as maiores taxas de acreção - as taxas 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 estão gerando em seus núcleos deve levar ao maior impacto na galáxia hospedeira por mecanismos como o fluxo de saída e aquecimento do quasar", disse Chris Willott, um cientista pesquisador do Centro de Pesquisa em Astronomia e Astrofísica Herzberg do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá (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 estão tendo o maior impacto em suas galáxias hospedeiras." 

Uma enorme quantidade de energia é liberada quando a matéria é agregada pelo buraco negro supermassivo. Essa energia aquece e empurra o gás circundante para fora, gerando fortes fluxos que atravessam o espaço interestelar como um tsunami, causando estragos na galáxia hospedeira.

 Os fluxos de saída desempenham um papel importante na evolução da galáxia. O gás alimenta a formação de estrelas, portanto, quando o gás é removido devido a vazamentos, a taxa de formação de estrelas diminui. Em alguns casos, os fluxos de saída são tão poderosos e expelem grandes quantidades de gás que podem interromper completamente a formação de estrelas dentro da galáxia hospedeira. Os cientistas também acham que os fluxos de saída são o principal mecanismo pelo qual gás, poeira e elementos são redistribuídos por grandes distâncias dentro da galáxia ou podem até ser expulsos para o espaço entre as galáxias - o meio intergaláctico. Isso pode provocar mudanças fundamentais nas propriedades da galáxia hospedeira e do meio intergaláctico. 

Examinando as propriedades do espaço intergaláctico durante a 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 opaco para alguns tipos de luz. Ao longo de centenas de milhões de anos, o gás neutro no meio intergaláctico tornou-se 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" detectadas em grande parte do universo hoje? Webb examinará profundamente o espaço para reunir mais informações sobre esta importante transição na história do universo. As observações nos ajudarão a entender a Era da Reionização, que é uma das principais fronteiras da astrofísica. 

A equipe usará quasares como fontes de luz de fundo para estudar o gás entre nós e o quasar. Esse gás absorve a luz do quasar em comprimentos de onda específicos. Por meio de uma técnica chamada espectroscopia de imagem, eles procuram linhas de absorção no gás intermediário. Quanto mais brilhante for o quasar, mais fortes serão as características da linha de absorção no espectro. Ao determinar se o gás é neutro ou ionizado, os cientistas aprenderão o quão neutro é o universo e quanto desse processo de reionização ocorreu naquele momento específico. 

"Se você deseja estudar o universo, precisa de fontes de fundo muito brilhantes. Um quasar é o objeto perfeito no universo distante, porque é luminoso o suficiente para que possamos vê-lo muito bem", disse a integrante da equipe Camilla Pacifici, afiliada da Agência Espacial Canadense, mas trabalha como cientista de instrumentos no Space Telescope Science Institute em Baltimore. "Queremos estudar o universo primitivo porque o universo evolui e queremos saber como ele começou." 

A equipe analisará a luz proveniente dos quasares com o NIRSpec 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 nas primeiras galáxias e expulsos por fluxos de saída. O gás sai das galáxias em que estava originalmente e entra no meio intergaláctico. A equipe planeja medir a geração desses primeiros "metais", bem como a maneira como estão sendo empurrados para o meio intergaláctico por esses fluxos iniciais. 

O poder de Webb

Webb é um telescópio extremamente sensível, capaz de detectar níveis muito baixos de luz. Isso é importante porque, embora os quasares sejam intrinsecamente muito brilhantes, os que esta equipe vai observar estão entre os objetos mais distantes do universo. 

Na verdade, eles estão tão distantes que os sinais que Webb receberá são muito, muito baixos. Somente com a sensibilidade requintada de Webb essa ciência pode ser realizada. Webb também oferece excelente resolução angular, tornando possível separar a luz do quasar de sua galáxia hospedeira. Os programas de quasar descritos aqui são Observações de Tempo Garantido envolvendo as capacidades espectroscópicas do NIRSpec.

Fonte: Spacedaily.com