科学家将利用韦伯空间望远镜对活跃的超大质量黑洞展开探索

当天文学家在20世纪50年代的全天空无线电观测中发现点状物体时,他们并不确定如何对它们进行分类。它们是恒星、星系还是其他什么东西?一个伟大的、新的探索领域就此开启。这些准恒星的射电源被称为类星体,今天我们更好地理解了它们真正的魅力所在。

类星体是活跃的超大质量黑洞,通过光线显示出自己。气体和尘埃围绕着这些超大质量黑洞不断摩擦并产生热量和光,这些我们是可以探测到的。

目前已知的三个最遥远的类星体则都是从2018年之后发现的–每个都位于130多亿光年之外。詹姆斯-韦伯太空望远镜将为研究人员提供这些天体在高分辨率红外光下的新视角。通过利用这些强大的数据,一个研究小组将完善对其黑洞质量的计算、详细了解其宿主星系中的恒星并调查其附近的星系。更重要的是,他们的研究可能会影响我们如何看待这个宇宙的早期时代。

科学家将利用韦伯空间望远镜对活跃的超大质量黑洞展开探索

用NASA韦伯望远镜探究古老的超大质量黑洞

非常遥远的、活跃的超大质量黑洞是宇宙中最明亮的灯塔。这些被称为类星体的庞然大物被同样遥远的星系所包围。近几十年来,研究人员进行了一次宇宙寻宝之旅并在过去三年中发现了三个已知的最遥远的类星体–每个都离地球超过130亿光年。天文学家推断,超大质量黑洞及其伴随的星系可能需要数十亿年的时间才能形成。不过这些类星体怎么可能在宇宙的最初7亿年里变得如此巨大且拥有数十亿太阳质量?一旦能看清它们的光芒,它们伴随的星系会是什么样子的?它们的“邻居”又会是什么样子的?

这些都是亚利桑那大学的Xiaohui Fan和Jinyi Yang以及德国海德堡马克斯-普朗克天文研究所的Eduardo Bañados以及一个国际天文学家团队将通过詹姆斯-韦伯太空望远镜的观测展开的研究内容。“这些都是非常有价值的天体,”Fan说道,“我们构建这个计划是为了学习我们能想到的一切以便我们的团队和更大的天文界能够充分探索这些类星体。”

韦伯对红外光的敏感度–包括只能从太空中捕捉到的中红外波长–将使团队能够观察到这些天体,它们的光已经走过了130亿年,其波长已经从紫外线和可见光延伸到红外光。韦伯具有无与伦比的灵敏度和空间分辨率,这些将帮助揭示这些遥远天体的复杂结构。

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。

科学家将利用韦伯空间望远镜对活跃的超大质量黑洞展开探索

“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,他们还将“放大”来观察这些类星体附近的星系。韦伯广泛的高分辨率观测将帮助研究小组通过使用韦伯的近红外成像仪和无缝隙光谱仪(NIRISS)和NIRCam来描述附近的星系。

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最后,研究人员还将对类星体周围的大尺度环境进行采样–气体和尘埃的特征。宇宙在大爆炸后的7、8亿年里是什么样子?这是一个被称为“重化时代”的时期,当时星系之间的气体基本上是不透明的。只有在宇宙的第一个10亿年后,气体才变得完全透明进而使光更容易传播。该小组将用NIRSpec测量我们和类星体之间的一切。“我们知道,这些类星体存在于宇宙约百分之五十的中性时,”Bañados解释说,“这些目标代表了宇宙的一个重要时代–基本上是这个过渡时期的高峰。韦伯将提供关于这一时期的新的约束条件。”

Fan、Yang和Bañados将通过向天文界发布数据和工具来分享这一彻底的观测计划的财富以加速对早期宇宙中类星体的整体研究。Fan说道:“韦伯将帮助我们在理解这些天体方面实现下一个飞跃。”

据悉,这项研究将作为韦伯的General Observer项目的一部分进行,这些项目是通过双匿名审查系统竞争性选择的,跟哈勃太空望远镜的时间分配系统相同。

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