类星体是非常明亮、遥远、活跃的超质量黑洞,质量是太阳的数百万到数十亿倍。它们通常位于星系中心,以坠落的物质为食,并释放出奇妙的辐射洪流。类星体是宇宙中最亮的天体之一,类星体的光芒超过了其所在星系中所有恒星的总和,其喷流和风塑造了它所在的星系。

这是一个以明亮的类星体为中心的星系的艺术概念。类星体是一个非常明亮、遥远、活跃的超大质量黑,其质量是太阳的数百万到数十亿倍。类星体是宇宙中最亮的天体之一,类星体的光芒超过了其所在星系中所有恒星的总和。类星体以坠落的物质为食,释放出大量的风和辐射,塑造了它们所在的星系。利用韦伯的独特能力,科学家们将研究宇宙中最遥远、最明亮的6个类星体。
影像来源:NASA, ESA and J. Olmsted (STScI)

在今年晚些时候发射后不久,科学家团队将训练NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜探测6个最遥远、最明亮的类星体。他们将研究这些类星体及其宿主星系的特性,以及它们在非常早期的宇宙中星系演化的最初阶段是如何相互联系的。研究团队还将利用类星体来检测星系间空间中的气体,特别是在宇宙再电离时期,宇宙再电离在宇宙非常年轻的时候就结束了。他们将利用韦伯对微光的极度灵敏性和极佳的角度分辨率来完成这一任务

韦伯:探访年轻的宇宙

当韦伯窥视宇宙深处时,它实际上将回望过去。来自这些遥远的类星体的光在宇宙非常年轻的时候就开始了它的韦伯之旅,并花了数十亿年才到达。我们将看到的是很久以前的事情,而不是今天的事情。

“我们正在研究的所有类星体都存在于很早的时候,那时宇宙的年龄还不到8亿年,不到现在年龄的6%。所以这些观测给了我们机会来研究非常早期的星系演化和超大质量黑洞的形成和演化,”团队成员圣地亚哥·阿里巴斯解释说,他是西班牙马德里天体生物学中心天体物理系的研究教授。阿里巴斯也是韦伯近红外光谱仪(NIRSpec)仪器科学团队的成员。

来自这些非常遥远的物体的光已经被空间的膨胀所拉伸。这被称为宇宙学红移。光传播得越远,红移就越大。事实上,宇宙早期发出的可见光被剧烈地拉伸,以至于当它到达我们这里时,被移到了红外线中。有了这套红外线调谐仪器,韦伯非常适合研究这种光。

研究类星体,它们的宿主星系和境,以及它们强大的外流

该团队将研究的类星体不仅是宇宙中最遥远的,而且也是最明亮的。这些类星体通常拥有最高的黑洞质量,它们也有最高的吸积率——物质落入黑洞的速率。

“我们感兴趣的是观察最明亮的类星体,因为它们在其核心产生的大量能量应该会通过类星体外流和加热等机制对宿主星系产生最大的影响,”克里斯·威洛(Chris Willott)说,位于不列颠哥伦比亚省维多利亚的加拿大国家研究委员会(NRC)赫兹伯格天文和天体物理研究中心的研究科学家。威洛特也是加拿大航天局韦伯项目的科学家。“我们希望在这些类星体对其宿主星系产生最大影响的时刻观察它们。”

当物质被超大质量黑洞吸积时,大量的能量被释放出来。这种能量加热并将周围的气体向外推,产生强大的气流,像海啸一样撕裂星际空间,对宿主星系造成严重破坏。

外流在星系演化中发挥着重要作用。气体为恒星的形成提供了燃料,所以当气体因外流而被移除时,恒星形成的速度就会下降。在某些情况下,外流是如此强大,排出如此大量的气体,以至于它们可以完全停止宿主星系内的恒星形成。科学家们还认为,外流是气体、尘埃元素在星系内远距离重新分布的主要机制,甚至可以被驱逐到星系间的空间——星系间介质。这可能会引起宿主星系和星系间介质属性的根本变化。

再电离时期的星际空间性质研究

130多亿年前,宇宙还很年轻,视野还很模糊。星系之间的中性气体使得宇宙对某些类型的光不透明。经过数亿年的时间,星系间介质中的中性气体开始带电或电离,使其对紫外线透明。这一时期称为再电离时期。但是,是什么导致了再电离,创造了今天在宇宙的大部分地方都能检测到的“清晰”条件呢?韦伯将深入太空,收集更多关于宇宙历史上这一重大转变的信息。这些观测将帮助我们了解再电离时期,这是天体物理学的关键前沿之一。

研究团队将使用类星体作为背景光源来研究我们和类星体之间的气体。这些气体吸收了类星体特定波长的光。通过一种叫做成像光谱学的技术,他们将在中间气体中寻找吸收线。类星体越亮,光谱中的吸收线特征就越强。通过确定气体是中性的还是电离的,科学家将了解宇宙的中性程度,以及在那个特定的时间点发生了多少这种再电离过程。

“如果你想研究宇宙,你需要非常明亮的背景源。类星体是遥远宇宙中最完美的物体,因为它足够亮,我们可以很清楚地看到它,”团队成员卡米拉·帕西菲(Camilla Pacifici)说,她隶属于加拿大航天局,但在巴尔的摩的空间望远镜科学研究所担任仪器科学家。“我们想研究早期宇宙,因为宇宙在演变,我们想知道它是如何开始的。”

该团队将利用NIRSpec分析来自类星体的光,寻找天文学家所说的“金属”,即比和氦重的元素。这些元素在第一批恒星和第一批星系中形成,并由外流排出。气体离开了星系,进入了星系间的介质中。该团队计划测量这些第一批“金属”的产生,以及它们被这些早期外流推到星系间介质的方式。

韦伯的力量

韦伯望远镜是一种非常灵敏的望远镜,能够探测到非常低的光。这很重要,因为尽管类星体本质上非常明亮,但这个团队将要观测的是宇宙中最遥远的物体之一。事实上,它们是如此遥远,以至于韦伯接收到的信号非常非常低。只有凭借韦伯精湛的灵敏度,才能完成这项科学工作。韦伯还提供了极佳的角度分辨率,使它能够将类星体的光从它的宿主星系中分离出来。

这里描述的类星体计划是涉及NIRSpec光谱能力的保证时间观测。

詹姆斯·韦伯太空望远镜将于2021年发射,届时它将成为世界上最重要的空间科学天文台。韦伯将解决太阳系中的谜团,探索其他恒星周围的遥远世界,探索我们宇宙的神秘结构和起源,以及我们在其中的位置。韦伯望远镜是一个由NASA领导的国际项目,其合作伙伴包括欧空局(ESA)和加拿大航天局。

如欲了解更多有关詹姆斯·韦伯太空望远镜的信息,请访问www.nasa.gov/webb

参考来源:
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-s-webb-will-use-quasars-to-unlock-the-secrets-of-the-early-universe

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