Teleskop Webb NASA akan melihat ke masa lalu, menggunakan quasar untuk mengungkap rahasia awal alam semesta الكون

Ini adalah konsep seniman tentang galaksi dengan bintang quasar yang terang di pusatnya. Quasar adalah lubang hitam supermasif yang sangat terang, jauh, dan aktif dengan massa jutaan hingga miliaran kali massa matahari. Di antara hal-hal paling terang di alam semesta, cahaya quasar lebih unggul daripada cahaya semua bintang di galaksi induknya yang digabungkan. Quasar memakan materi yang jatuh dan melepaskan semburan angin dan radiasi, membentuk galaksi tempat mereka tinggal. Menggunakan kemampuan unik Webb, para ilmuwan akan mempelajari enam quasar paling jauh dan terang di alam semesta. Kredit: NASA, ESA, dan J. Olmsted (STScI)

Quasar adalah lubang hitam aktif yang sangat terang, jauh, dengan massa jutaan hingga miliaran kali massa Matahari. Biasanya terletak di pusat galaksi, mereka memakan materi yang jatuh dan melepaskan aliran radiasi yang fantastis. Di antara hal-hal paling terang di alam semesta, cahaya quasar secara kolektif menerangi semua bintang di galaksi induknya, dan pancaran serta anginnya membentuk galaksi tempat ia berada.

Tak lama setelah diluncurkan akhir tahun ini, tim ilmuwan akan melatih Teleskop Luar Angkasa James Webb NASA pada enam quasar paling jauh dan paling terang. Mereka akan mempelajari sifat-sifat quasar ini dan galaksi induknya, dan bagaimana mereka saling berhubungan selama tahap awal evolusi galaksi di alam semesta yang sangat awal. Tim juga akan menggunakan quasar untuk memeriksa gas di ruang intergalaksi, terutama selama periode reionisasi kosmik, yang berakhir ketika alam semesta masih sangat muda. Mereka akan mencapai ini dengan sensitivitas ekstrim Webb untuk tingkat cahaya rendah dan resolusi sudut yang mengesankan.

(Klik pada gambar untuk melihat diagram lengkapnya.) Lebih dari 13 miliar tahun yang lalu, selama era reionisasi, alam semesta adalah tempat yang sama sekali berbeda. Gas intergalaksi terlalu buram untuk cahaya energik, membuat galaksi muda sulit untuk diamati. Apa yang memungkinkan alam semesta menjadi sepenuhnya terionisasi, atau transparan, yang akhirnya mengarah pada kondisi “jelas” yang terdeteksi di sebagian besar alam semesta saat ini? Teleskop Luar Angkasa James Webb akan menggali lebih dalam ke luar angkasa untuk mengumpulkan lebih banyak informasi tentang hal-hal yang ada selama era reionisasi untuk membantu kita memahami perubahan besar dalam sejarah alam semesta ini. Kredit: NASA, ESA, dan J.Kang (STScI)

Webb: Mengunjungi Alam Semesta Muda

Saat Webb melihat ke kedalaman alam semesta, dia sebenarnya akan melihat ke masa lalu. Cahaya dari quasar yang jauh ini memulai perjalanannya ke Webb ketika alam semesta masih sangat muda dan membutuhkan waktu miliaran tahun untuk mencapainya. Kita akan melihat hal-hal seperti dulu, bukan seperti sekarang.

“Semua quasar yang kami pelajari ada sangat awal, ketika alam semesta berusia kurang dari 800 juta tahun, atau kurang dari 6 persen dari usianya saat ini. Jadi pengamatan ini memberi kita kesempatan untuk mempelajari evolusi galaksi dan pembentukannya. dan evolusi lubang hitam supermasif di masa awal ini. Sangat banyak,” jelas anggota tim Santiago Arribas, Profesor Riset di Departemen Astrofisika di Pusat Astrobiologi di Madrid, Spanyol. Arribas juga merupakan anggota Tim Sains Instrumen Spektrograf Inframerah Dekat (NIRSpec) Webb.

(Klik pada gambar untuk melihat diagram lengkapnya.) Alam semesta mengembang, dan ekspansi ini merentangkan cahaya yang melintasi ruang angkasa dalam sebuah fenomena yang dikenal sebagai pergeseran merah kosmik. Semakin besar pergeseran merah, semakin besar jarak yang ditempuh oleh cahaya. Akibatnya, teleskop yang dilengkapi dengan detektor inframerah diperlukan untuk melihat cahaya dari galaksi pertama dan terjauh. Kredit: NASA, ESA, dan L. Hustak (STSci)

Cahaya dari objek yang sangat jauh ini telah diregangkan karena perluasan ruang. Ini dikenal sebagai pergeseran merah kosmik. Semakin jauh cahaya, semakin besar pergeseran merahnya. Faktanya, cahaya tampak dari alam semesta awal terbentang sedemikian rupa sehingga berubah menjadi radiasi infra merah ketika mencapai kita. Dengan serangkaian instrumen yang disetel dalam inframerah, Webb secara unik cocok untuk mempelajari jenis cahaya ini.

Studi tentang quasar, galaksi mereka, lingkungan inangnya, dan alirannya yang kuat

Quasar yang akan dipelajari tim tidak hanya di antara yang paling jauh di alam semesta, tetapi juga di antara yang paling terang. Quasar ini biasanya memiliki massa lubang hitam tertinggi, dan mereka juga memiliki tingkat pertambahan tertinggi – tingkat di mana material jatuh ke dalam lubang hitam.

“Kami tertarik untuk mengamati quasar paling terang karena jumlah energi yang sangat tinggi yang mereka hasilkan di inti mereka harus mengarah pada dampak terbesar pada galaksi tuan rumah melalui mekanisme seperti aliran quasar dan pemanasan,” kata Chris. Willott, seorang ilmuwan peneliti di Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Center of Canada’s National Research Council (NRC) di Victoria, British Columbia. Willott juga Ilmuwan Proyek Webb CSA. “Kami ingin mengamati quasar ini pada saat mereka memiliki dampak terbesar pada galaksi tuan rumah.”

Sejumlah besar energi dilepaskan ketika materi terakumulasi oleh lubang hitam supermasif. Energi ini memanas dan mendorong gas di sekitarnya keluar, menghasilkan aliran keluar yang kuat yang merobek ruang antarbintang seperti tsunami, menyebabkan kekacauan di galaksi induk.

Perhatikan bagaimana pancaran dan angin dari lubang hitam supermasif memengaruhi galaksi induknya – dan ruang angkasa yang berjarak ratusan ribu tahun cahaya selama jutaan tahun. Kredit: NASA, ESA, dan L. Hustak (STScI)

Arus keluar memainkan peran penting dalam evolusi galaksi. Gas memicu pembentukan bintang, jadi ketika gas dihilangkan karena aliran keluar, laju pembentukan bintang menurun. Dalam beberapa kasus, arus keluar sangat kuat sehingga mengeluarkan gas dalam jumlah besar sehingga dapat sepenuhnya menghentikan pembentukan bintang di dalam galaksi induk. Para ilmuwan juga percaya bahwa aliran keluar adalah mekanisme utama di mana gas, debu, dan elemen didistribusikan kembali dalam jarak yang sangat jauh di dalam galaksi atau bahkan dapat dikeluarkan ke ruang antargalaksi – media intergalaksi. Hal ini dapat memicu perubahan mendasar dalam sifat-sifat galaksi induk dan medium intergalaksi.

Meneliti sifat-sifat ruang intergalaksi selama era reionisasi

Lebih dari 13 miliar tahun yang lalu, ketika alam semesta masih sangat muda, pemandangannya masih jauh dari jelas. Gas netral antara galaksi telah membuat alam semesta buram untuk beberapa jenis cahaya. Selama ratusan juta tahun, gas netral dalam medium intergalaksi telah menjadi bermuatan atau terionisasi, membuatnya transparan terhadap sinar ultraviolet. Periode ini disebut era reionisasi. Tapi apa yang menyebabkan reionisasi yang menciptakan kondisi “jelas” yang terdeteksi di sebagian besar alam semesta saat ini? Webb akan menyelidiki ruang angkasa untuk mengumpulkan lebih banyak informasi tentang transformasi besar dalam sejarah alam semesta ini. Pengamatan akan membantu kita memahami era reionisasi, salah satu batas utama dalam astrofisika.

Tim akan menggunakan quasar sebagai sumber cahaya latar untuk mempelajari gas antara kami dan quasar. Gas ini menyerap cahaya quasar pada panjang gelombang tertentu. Melalui teknik yang disebut spektroskopi pencitraan, mereka akan mencari garis penyerapan dalam gas yang mengganggu. Dan semakin terang quasar, semakin kuat fitur garis absorpsi tersebut dalam spektrum. Dengan menentukan apakah gas itu netral atau terionisasi, para ilmuwan akan mempelajari seberapa netral alam semesta dan seberapa banyak proses reionisasi ini terjadi pada titik waktu tertentu.

Teleskop Luar Angkasa James Webb akan menggunakan instrumen inovatif yang disebut Unit Lapangan Terpadu (IFU) untuk menangkap gambar dan spektrum secara bersamaan. Video ini memberikan gambaran dasar tentang cara kerja IFU. Kredit: NASA, ESA, CSA, dan L. Hustak (STScI)

“Jika Anda ingin mempelajari alam semesta, Anda memerlukan sumber latar belakang yang sangat terang. Quasar adalah hal yang sempurna di alam semesta yang jauh, karena cukup bercahaya,” kata anggota tim Camilla Pacifici, yang berafiliasi dengan Badan Antariksa Kanada tetapi bekerja sebagai ilmuwan instrumen di Space Telescope Science Institute. Jadi kita bisa melihatnya dengan sangat baik. Di Baltimore. “Kami ingin mempelajari alam semesta awal karena alam semesta berevolusi, dan kami ingin tahu bagaimana awal mulanya.”

Tim akan menganalisis cahaya yang datang dari quasar menggunakan NIRSpec untuk mencari apa yang oleh para astronom disebut “logam”, elemen yang lebih berat daripada hidrogen dan helium. Unsur-unsur ini terbentuk di bintang-bintang pertama dan galaksi-galaksi pertama dan dikeluarkan oleh arus keluar. Gas bergerak keluar dari galaksi di mana ia awalnya berada dan ke dalam medium intergalaksi. Tim berencana untuk mengukur generasi “logam” pertama ini, serta cara mereka didorong ke media intergalaksi oleh arus keluar awal ini.

Kekuatan web

Webb adalah teleskop yang sangat sensitif yang mampu mendeteksi tingkat cahaya yang sangat rendah. Ini penting, karena meskipun quasar secara intrinsik sangat terang, yang akan diamati oleh tim ini adalah salah satu objek terjauh di alam semesta. Faktanya, mereka sangat jauh sehingga sinyal yang akan diterima Webb sangat, sangat rendah. Hanya dengan kepekaan Webb yang luar biasa, ilmu ini dapat dicapai. Webb juga memberikan resolusi sudut yang sangat baik, yang memungkinkan untuk memisahkan cahaya quasar dari galaksi induknya.

Program quasar yang dijelaskan di sini adalah Catatan waktu yang dijamin melibatkan kemampuan spektral NIRSpec.

Teleskop Luar Angkasa James Webb akan menjadi observatorium sains ruang angkasa utama dunia ketika diluncurkan pada tahun 2021. Webb akan memecahkan misteri tata surya kita, melihat ke luar dunia yang jauh di sekitar bintang lain, dan menyelidiki struktur misterius dan asal usul alam semesta dan tempat kita di dalamnya. Webb adalah program internasional yang dipimpin oleh NASA dengan mitranya ESA (European Space Agency) dan Canadian Space Agency.