אַסטרוֹנוֹמִיָה

אם קוואזרים מונעים על ידי חורים שחורים, מדוע הם כה בהירים?

אם קוואזרים מונעים על ידי חורים שחורים, מדוע הם כה בהירים?

אם חור שחור יכול לבלוע הכל, אפילו אור, אז איך חור שחור יכול להניע משהו, במיוחד משהו בהיר כמו קווזר. מדוע החור השחור אינו בולע את אור הקוואזר?

האם נוצרים קוואזרים כאשר שני חורים שחורים מתאחדים?

הנחתי שזה יכול להיות כמו תפוז כשאנחנו לוחצים עליו מאמצע ואז המיץ שלו יוצא משני הקצוות.

האם ההנחה שלי נכונה ... או שיש סיבה אחרת?


האור שנפלט אינו למעשה מהחור השחור עצמו אלא החומר המסתחרר שמקיף אותו נקרא דיסק הצבירה. האור שנפלט מדיסק הצבירה מספיק רחוק כדי להימלט ממשיכת הקוואזאר. קישור מוויקיפדיה מסביר זאת מספיק:

האמונה כי קווזרים מופעלים על ידי צבירת חומר לחורים שחורים על-מאסיביים בגרעינים של גלקסיות רחוקות, מה שהופך את הגרסאות הזוהרות הללו לסוג העצמים הכללי המכונה גלקסיות פעילות. מכיוון שאור אינו יכול לברוח מהחורים השחורים, האנרגיה הנמלטת נוצרת למעשה מחוץ לאופק האירועים על ידי לחצים כבידתיים וחיכוך עצום על החומר הנכנס.

אני מניח שחלק זה של השאלה אתה שואל מדוע קוואזרים בהירים יותר מחורים שחורים. זה בגלל הכמות הגדולה יותר של נפילת חומר לתוך החור השחור יוצר חיכוך גדול יותר ובכך יותר אור.


חור שחור, בחלל העמוק הוא בעצם שחור, וקשה מאוד לזהות אותו. אבל אם חור שחור מוקף בחומר, חומר זה ייפול לעבר החור השחור וייכנס למסלול סביבו. (חורים שחורים לא מבאסים, הם נמשכים)

החומר עשוי לבוא, למשל מכוכב אחר, או במקרה של החורים השחורים הענקיים במרכזן של גלקסיות רבות, מהגז, האבק והכוכבים שנמצאים בליבות הגלקסיות.

כאשר חפצים מקיפים את החור השחור הם נוטים להתנגש זה בזה, ומשחררים אנרגיה בצורת חום וגורמים להם ליפול למסלולים נמוכים יותר. תהליך זה נוטה לגרום לגז המקיף חור שחור לצורת דיסק, המכונה דיסק צבירה. די מהר כל אובייקטים גדולים יותר יתפרקו, ודיסק הצבירה יהיה מורכב מגז, וכשהוא מתחמם, פלזמה.

כעת כאשר חפצים נופלים למסלולים נמוכים יותר הם מואצים. ובשביל חור שחור, המהירות הזו היא קיצונית. הגז יסתובב במהירות שמתקרבת למהירות האור. זה גורם לחיכוכים ולהתנגשויות בין החלקיקים שמקיפים גם את השחור. דיסק הצבירה מתחמם, עד עצום טמפרטורות.

עכשיו קורה משהו מוזר, והפיזיקה של זה לא ממש מסודרת. שדות מגנטיים מסתבכים בחומר החם וגורמים לחלק ממנו להיפלט מהחור השחור בסילון, בניצב לדיסק הצבירה. מהירויות החלקיקים בסילון קרובות למהירות האור. מַסִיבִי כמויות אנרגיה אלקטרומגנטית משתחררות גם לאורך סילון זה.

קוואזרים הם גלקסיות פעילות שקורות כאשר המטוסים שלהם מכוונים אלינו. כמויות הגז הגדולות צריכות לספק חור שחור מסיבי עם אנרגיה לייצור קוואזר היו נפוצות יותר ביקום המוקדם, ולכן קוואזרים רבים הם רחוקים מאוד וישנים מאוד, אך הצעיר ביותר מרוחק רק כ- 700 מיליון שנות אור, יש כל סיבה להניח שקוואזרים עדיין קיימים כיום.

אינך זקוק לחור שחור בינארי כדי ליצור קוואזר, אך מיזוג של שני חורים שחורים עלול גם הוא לשחרר אנרגיה מסיבית, ועשוי להיות סוג של פרץ קרני גמא, ועליו גם לשחרר גלי גרביטציה.


מפות מדויקות של מיליוני קוואזרים בהירים מראות את מקומנו בקוסמוס כמו פעם

ביום שישי בסוף שנת 2018 התכנס הצמרת העליונה של משימה בחלל העמוק של נאס"א לפגישה מתוחה. שעה אחר שעה החלילית אופקים חדשים פגעה לקראת מפגש ראש השנה עם ארוקוט, סלע קדום וקפוא בקצה מערכת השמש. לקבוצה הייתה הזדמנות אחרונה לשלוח הוראות להפניית מצלמות החללית. הצלחה תבטיח תמונות בתוך מסגרת של ארוקוט, ואת הרמזים שהחזיקה לאופן יצירת כוכבי הלכת. משמעות הכישלון היא תמונות יקרות של ריק ריק.

מנהלי המשימה שהתאספו במטה ניו הורייזונס בפרברי מרילנד הבינו שיש להם "בעיה מסיבית", אומר מארק בוי, איש צוות ומדען פלנטרי במכון המחקר דרום-מערב בבולדר, קולורדו. משהו היה כבוי בתמונות שכבר הוקרנו לאחור. החללית המעופפת או הסלע המקיף היו קצת אבודים בעשור ביקום בו שום דבר לא ממוסמר.

הצוות התלבט מה לתקן. היו שחשבו שעמדת החללית, המחושבת על פי מדידות מבוססות כדור הארץ, הייתה נכונה, ובמקרה זה ארוקוט נמצא במקום לא צפוי. אך בואי האמין שהסלע נמצא בדיוק במקום בו הוא אמור להיות, מה שהציע כי תנועים דחפו את החללית עצמה בשיער שלא במסלול.

בוי היה בטוח כי עקב אחר עמדתו של ארוקוט 'ביחס למפה מדויקת במיוחד של משואות רחוקות הנקראות קוואזרים: מגדלורים קוסמיים שנוצרו על ידי חורים שחורים במרכזים גלקטיים רחוקים. אבל המפה לא נבדקה במידה רבה, לאחר ששוחררה זה עתה על ידי לוויין מיפוי כוכבים של סוכנות החלל האירופית בשם גאיה. זה היה הבסיס למסגרת ייחוס שמימית חדשה, רשת קבועה ודמיונית שכנגדה כל השאר נעים, בדומה לקווי רוחב ואורך על פני כדור הארץ. ובוי הימר על טיסת ארוקוט ברשת החדשה הזו.

בעשורים האחרונים אסטרונומים ביססו את הרשת השמימית שלהם על תצפיות ברדיו של כמה אלפי קוואזרים. משואות רדיו אלה לא רק מנחות את כיוון הטלסקופים, אלא הן גם סלע מסגרת הייחוס של כדור הארץ המסתובב. בלעדיהם, מכשירי GPS יאבדו את הדיוק שלהם ומחקרים אולטרה מדויקים רבים על תהליכים כמו טקטוניקה של צלחות ושינויי אקלים יהיו בלתי אפשריים. אבל תצפיות על משואות אלה יקרות ונשענות על טלסקופי רדיו.

עד שנת 2018, כאשר New Horizons התקרבה לארוקות ', גאיה ייצרה גרסה משלה למסגרת התייחסות, המבוססת על חצי מיליון קוואזרים שנראו באורכי הגל הגלויים שרוב האסטרונומים משתמשים בהם, ולא ברדיו. בוי שכנע את צוות האופקים החדשים לסמוך על המסגרת החדשה. תיקון המבוסס על עמדות גאיה עלה אל החללית.

הצוות הבין את זה נכון: כשחזרו תמונות הזבוב הקרובות ביותר, ארוקוט הוסגר בצורה מושלמת. "כל זה לא היה קורה אם לא היה לנו את קטלוג גאיה," אומר בוי. "זה שכתוב מהותי לאופן שבו אנו עושים אסטרונומיה פוזיצית."

השכתוב נמשך. בשבוע הבא, ב -3 בדצמבר, גאיה תשחרר, יחד עם הנתונים העדכניים ביותר על מיליארדי כוכבי שביל החלב, מסגרת הייחוס החדשה ביותר שלה, שנבנתה מ 1.6 מיליון קוואזרים הפזורים בשמיים. "זה משופר, גדול יותר, טוב יותר, יפה יותר", אומר פרנסואה מיגארד, אסטרונום במצפה הכוכבים קוט ד'אזור בצרפת שמוביל את צוות מסגרות הייחוס של גאיה.

מסגרת הייחוס של גאיה היא רק הפיתרון האחרון לבעיה מאוד מאוד ישנה. מכוכבי לכת ועד שביטים לאסטרואידים, הרבה מהשמיים נסחפים מלילה ללילה. לימוד חפצים אלה יהיה חסר סיכוי מבלי להשוות אותם לנקודות שנשארות דוממות.

בתחילה, הכוכבים נראו כנקודות ייחוס אמינות. במאה השנייה לספירה חזר האסטרונום תלמי אלכסנדרי על קבוצות הכוכבים שקודמו היפרקוס צפה כשלוש מאות שנה קודם לכן. בעיניו העירומות, תלמי לא הצליח למצוא שום תנועה בין הכוכבים, שלדעתו היו נקודות קבועות בכדור המסתובב סביב כדור הארץ.

אך בשנות ה -1700, תצפיות מדוקדקות בטלסקופים הוכיחו כי עמדותיהם לכאורה של הכוכבים בשמיים אכן משתנות עם השנים, כאשר הן עוברות דרך הקוסמוס. בתגובה, אסטרונומים בילו כל החיים בבניית קטלוגים של כוכבים רחוקים מספיק או איטיים מספיק בכדי להישאר דוממים.

בשבוע הבא, משימת גאיה למיפוי הכוכבים של אירופה תשחרר מסגרת ייחוס שמיימית חדשה, שנבנתה מעמדות של 1.6 מיליון קוואזרים.

המשחק התחל שוב כאשר אסטרונומים החלו לצפות בקוואזרים בשנות השבעים, תוך שימוש במנות רדיו ביבשות שונות כדי לבצע מדידות מדויקות מדי של עמדותיהם. כמו כוכבים, קוואזרים מופיעים כנקודות אור. אבל הם רחוקים מיליארדי שנות אור, כך שהם בקושי זזים בתוך חיי האדם. לבסוף, השמיים הרחוקים, לא כדור הארץ, היו השופט האולטימטיבי במקום בו הדברים נמצאים.

כיום מדידות הרדיו ניזונות מביורוקרטיה עולמית השומרת על מסגרות התייחסות, ומטילות סדר על החלל באותו אופן שבו תצפיות אסטרונומיות נהגו לשמור זמן. רבות ממדידות הקוואזאר מדויקות עד כמאה מיליונית התואר - קטנה מהגודל לכאורה של כדורסל על הירח. הם לא רק מחזיקים את השמים במקום, אלא גם חושפים טלטולים במהירות הסיבוב של כדור הארץ ומתנדנדים בצירם הנובעים מרעידות אדמה וסופות הוריקן. השינויים המחושבים משמשים בתורם לתיקון מכשירי GPS, שאחרת יאבדו את השטח המסתובב של כדור הארץ.

המספר ההולך וגדל של קוואזרים מוצקים סלעים, כיום באלפים, הפך גם את הניווט הבין-כוכבי. במשך עשרות שנים עקבה נאס"א אחר חלליותיה על ידי מדידת מהירויותיהן תוך כדי טיסתן, מה שאפשר לחשב את מרחקיהם מכדור הארץ. מיקומם בממדים אחרים הוערך גס רק על ידי החיישנים בחללית. אך לאחר צמד כישלונות מאדים בולטים בשנת 1999, הסוכנות הוסיפה שיטה נוספת: היא מחפשת קוואזרים הנמצאים בסמוך למיקומה הנוכחי של המלאכה בשמיים - עיגון החללית למסגרת הייחוס. הגישה אפשרה נחיתות עין שור לאחר מכן על מאדים ובמקומות אחרים, אומר בארי גלדזהלר, שפרש לאחרונה כמוביל הניווט של נאס"א. "אנחנו הופכים את הדברים הקשים לשגרתיים, וקצת משעממים."

עבור מדעני החלל הרבים שעובדים מחוץ לאורכי גל הרדיו, עם זאת, מסגרת התייחסות מבוססת רדיו אינה כה שימושית. אסטרונומים השקיעו עשרות שנים בניסיון לבנות נקודות התייחסות יריבות באור הנראה לעין. אבל קוואזרים הם כתמים קלושים באורכי הגל הללו, וטלסקופים אופטיים שמציצים באווירה המטושטשת של כדור הארץ נאבקו להתאים לדיוק של מערכי הרדיו.

ואז ערכת הנתונים של גאיה לשנת 2018 ירדה, לאחר שהחללית סרקה את כל השמים בגלאים רגישים מבוססי חלל. "תשעים ושמונה אחוזים מהעבודה הזו נמחקו לאחר שחרורו של גאיה", אומר ליאוניד פטרוב, אסטרונום במרכז טיסת החלל גודארד של נאס"א, שמבצע תצפיות על קוואזאר ברדיו לבניית מסגרות התייחסות. "תוך יום אחד הם הפכו להיסטוריה."

רשת הקונצנזוס לחלל החיצון - האיטרציה השלישית של מסגרת הפניה השמימית הבינלאומית הרשמית, המוחזקת על ידי האיחוד האסטרונומי הבינלאומי (IAU) - עדיין מסתמכת על קוואזרי רדיו. אולם באסיפה הכללית הבאה של חיל האוויר, בשנת 2021, אומר מיגארד כי הוא מתכנן להציע מערכת רב-גל, עם עמדות הקוואזאר האופטיות המופיעות לצד רדיו.

כבר ניתן לראות קיזוזים זעירים בין שתי המערכות, אך הם אינם שגיאות. הם משקפים מציאות אסטרופיזית - והזדמנות מחקרת מפתה. קווזרים מונעים על ידי גז המסתחרר סביב חורים שחורים ענקיים במרכזי הגלקסיות. כשהגז מעגל את הניקוז, הוא מבטל סילוני פלזמה בהירים כמעט במהירות האור. טלסקופי הרדיו מאומנים על החור השחור עצמו, ואילו גאיה תופס עמדה ממוצעת בין החור השחור למטוסים. אף טלסקופ יחיד אינו יכול להבחין בין מיקומים אלה. אולם הפערים בין עמדות הרדיו והאופטי מצביעים על הפרטים המשובחים הללו ומציעים דרך חדשה לחקור את הפיזיקה במרכזי הגלקסיה.

"אם אתה חובב גרעינים פעילים, זה זמן נהדר להיות בחיים", אומר בריאן דורלנד, אסטרונום במצפה הימי האמריקני. "הפעם האחרונה שאסטרונומיה מיקום הייתה מרגשת הייתה סביב, כמו תלמי. ימין?"

בסופו של דבר, נתוני גאיה עשויים אפילו להזין מערכות מערכות איתור מיקום יבשות, אך לא לפני מחקרים ומשא ומתן ממושכים, אומרת מנואלה סייץ, מהמכון למחקר גיאודטי גרמני. "זה דרך ארוכה בין להראות, בסדר, אתה יכול לשפר אם אתה משתמש בזה ל, בסדר, עכשיו יש לך מוצרים שהם באמת עקביים", היא אומרת.

כדי להישאר שימושי, מערכת גאיה תדרוש טיפול. נכון לעכשיו, יש לו אחיזה איתנה לא רק בקוואזרים שלה, אלא גם בכמיליארד כוכבים קרובים יותר ונסחפים. כוכבים אלה, המעוגנים לרשת מבוססת הקוואזאר, הם מדריכים שימושיים לחלליות עם מעקב אחר כוכבים פשוטים, או כאשר לא נראה קוואזר בחלק מסוים של השמיים. אך משימת גאיה אמורה לסיים את משמרתה בשנת 2025. לאחר מכן, הכוכבים יתפתלו ביחס למאזורי הרקע אלא אם כן אסטרונומים ישלחו משימת המשך למיפוי השמים.

בינתיים, הקוואזרים עצמם ייסחפו בקרחון. בסופו של דבר, אומר מיגארד, מסגרות ייחוס לעתיד עם דיוק גבוה עשויות לדרוש עוגנים יציבים אפילו יותר מקוואזרים: אולי נקודות על רקע המיקרוגל הקוסמי, זוהר המפץ הגדול, שנמצא במרחק הרחוק ביותר שנצפה בקוסמוס.

בוי, מצדו, מתכנן להשתמש במסגרת הייחוס של גאיה כל עוד הוא יכול בעבודתו לאתר וללמוד סלעים זעירים של מערכת השמש החיצונית. נתוני גאיה מקלים עליו לחשב מתי ואיפה ללכת לכדור הארץ כדי לראות כוכב קורץ החוצה כשאובייקט מרוחק חוצה לפניו - אירוע נסתר כביכול שמסתמך על התאורה האחורית הרגעית כדי לחשוף פרטים אודות לְהִתְנַגֵד.

הוא גם משחק את אותו המשחק שעשה עם New Horizons ו- Arrokoth עבור לוסי, משימה של נאס"א הקרובה שמתכננת לזמזם על פני חמישה אסטרואידים קטנים ליד מסלול צדק. הדיוק הנוסף של מערכת גאיה יסייע לבקרי המשימה להיכנס בדיוק למטרותיהם. "הם לא חושבים שהם צריכים את זה, אבל הם כן צריכים", אומר בוי.


האינטרנט של נאס"א ישתמש בקוואזרים כדי לפתוח את סודות היקום המוקדם

קוואזרים הם חורים שחורים סופר-מאסיביים בהירים, רחוקים ופעילים, שמסתם השמש מיליוני עד מיליארדי פעמים. הם ממוקמים בדרך כלל במרכז הגלקסיות, והם ניזונים מחומר מתפרק ומשחררים שטפי קרינה פנטסטיים. בין האובייקטים הבהירים ביותר ביקום, אור קוואזר מאיר את זה של כל הכוכבים בגלקסיה המארחת שלו יחד, וסילוניו ורוחותיו מעצבים את הגלקסיה בה היא שוכנת.

זמן קצר לאחר השקתו מאוחר יותר השנה, צוות מדענים יאמן את טלסקופ החלל ג'יימס ווב של נאס"א בשישה מהקוואזרים הרחוקים והמאירים ביותר. הם יחקרו את המאפיינים של קוואזרים אלה ואת הגלקסיות המארחות שלהם, וכיצד הם קשורים זה לזה בשלבים הראשונים של התפתחות הגלקסיה ביקום המוקדם מאוד. הצוות ישתמש גם בקוואזרים כדי לבחון את הגז בחלל שבין הגלקסיות, במיוחד בתקופת הריוניזציה הקוסמית, שהסתיימה כשהיקום היה צעיר מאוד. הם ישיגו זאת באמצעות הרגישות הקיצונית של ווב לרמות אור נמוכות וברזולוציה הזוויתית המעולה שלו.

Webb: ביקור ביקום הצעיר

כאשר ווב מציץ עמוק ביקום, הוא למעשה יסתכל אחורה בזמן. אור ממזמרות רחוקות אלה החל את דרכו לווב כשהיקום היה צעיר מאוד ולקח מיליארדי שנים להגיע. אנו נראה את הדברים כפי שהיו מזמן, לא כפי שהם היום.

"כל הקוואזרים האלה שאנחנו לומדים היו קיימים מוקדם מאוד, כאשר היקום היה בן פחות מ -800 מיליון שנה, או פחות מ -6% מגילו הנוכחי. אז התצפיות הללו נותנות לנו את ההזדמנות לחקור את התפתחות הגלקסיה ואת היווצרות האבולוציה הגדולה של החור השחור. בזמנים מאוד מוקדמים אלה ", הסביר חבר הצוות סנטיאגו אריבאס, פרופסור למחקר במחלקה לאסטרופיזיקה של המרכז לאסטרוביולוגיה במדריד, ספרד. Arribas הוא גם חבר בצוות מדע כלי הנגינה הקרוב אינפרא-אדום (NIRSpec) של ווב.

האור מאובייקטים רחוקים מאוד אלה נמתח על ידי הרחבת החלל. זה ידוע בתור שינוי אדום קוסמולוגי. ככל שהאור צריך לנסוע רחוק יותר, כך הוא מוסט יותר. למעשה, האור הגלוי שנפלט ביקום המוקדם נמתח בצורה כה דרמטית, עד שהוא מועבר החוצה לאינפרא אדום כשהוא מגיע אלינו. עם חבילת המכשירים המכוונים לאינפרא-אדום, Webb מתאים במיוחד לחקר אור מסוג זה.

לימוד קוואזרים, הגלקסיות והסביבות המארחות שלהם, וההזרמות החזקות שלהם

קוואזרים שהצוות ילמד הם לא רק בין הרחוקים ביקום, אלא גם בין המבריקים ביותר. קוואזרים אלה בדרך כלל הם בעלי מסות החורים השחורות הגבוהות ביותר, ויש להם גם שיעורי צמיחה גבוהים ביותר - הקצב שבו חומר נופל לתוך החורים השחורים.

"אנו מעוניינים להתבונן ברביעי הזריקה הזוהרים ביותר מכיוון שכמות האנרגיה הגבוהה מאוד שהם מייצרים למטה בליבותיהם אמורה להוביל להשפעה הגדולה ביותר על הגלקסיה המארחת על ידי מנגנונים כמו זרימת קוואזר וחימום," אמר כריס. וילוט, מדען מחקר במרכז המחקר אסטרונומיה ואסטרופיזיקה בהרצברג של המועצה הלאומית למחקר בקנדה (NRC) בוויקטוריה, קולומביה הבריטית. וילוט הוא גם מדען פרויקט ה- Webb של סוכנות החלל הקנדית. "אנו רוצים לצפות בקוואזרים האלה ברגע שיש להם את ההשפעה הגדולה ביותר על הגלקסיות המארחות שלהם."

כמות עצומה של אנרגיה משתחררת כאשר החומר נגרם על ידי החור השחור המסיבי. אנרגיה זו מתחממת ודוחפת את הגז שמסביב החוצה, ויוצרת זרימות חזקות אשר נקרעות על פני החלל הבין כוכבי כמו צונאמי, ומזרעות את הגלקסיה המארחת.

הזרימות ממלאות תפקיד חשוב בהתפתחות הגלקסיות. גז מתדלק את היווצרותם של כוכבים, ולכן כאשר מסלקים גז עקב זרימה, קצב היווצרות הכוכבים פוחת. במקרים מסוימים, הזרימה כה חזקה ומוציאה כמויות גדולות כל כך של גז, עד כי הן יכולות לעצור את היווצרות הכוכבים בתוך הגלקסיה המארחת. מדענים גם חושבים שזרמים הם המנגנון העיקרי שבאמצעותו גז, אבק ואלמנטים מועברים מחדש למרחקים גדולים בתוך הגלקסיה או אפילו יכולים להיפטר לחלל שבין הגלקסיות - המדיום הבין-גלקטי. זה עשוי לעורר שינויים מהותיים בתכונות של הגלקסיה המארחת והן של המדיום הבין-גלקטי.

בחינת תכונות המרחב הבין-גלקטי בתקופת הריון מחדש

לפני יותר מ -13 מיליארד שנה, כשהיקום היה צעיר מאוד, הנוף היה רחוק מלהיות ברור. גז נייטרלי בין גלקסיות הפך את היקום אטום לכמה סוגי אור. במשך מאות מיליוני שנים הפך הגז הנייטרלי במדיום הבין-גלקטי לטעון או מיונן, מה שהופך אותו לשקוף לאור אולטרה סגול. תקופה זו נקראת עידן הריוניזציה. אך מה הביא למינון מחדש שיצר את התנאים ה"ברורים "שהתגלו בחלק גדול מהיקום כיום? ווב יציץ עמוק לחלל כדי לאסוף מידע נוסף על המעבר הגדול הזה בתולדות היקום. התצפיות יסייעו לנו להבין את עידן הריוניזציה, שהוא אחד הגבולות המרכזיים באסטרופיזיקה.

הצוות ישתמש בקוואזרים כמקור אור רקע כדי לחקור את הגז בינינו לבין הקוואזאר. גז זה סופג את אור הקוואזאר באורכי גל ספציפיים. באמצעות טכניקה הנקראת ספקטרוסקופיית הדמיה, הם יחפשו קווי ספיגה בגז המתערב. ככל שהקוואזר בהיר יותר, כך תכונות קו הקליטה חזקות יותר יהיו בספקטרום. על ידי קביעתם אם הגז הוא ניטרלי או מיונן, מדענים ילמדו עד כמה היקום הוא ניטרלי וכמה מתהליך הריוניזציה הזה התרחש בנקודת זמן מסוימת זו.

"אם אתה רוצה לחקור את היקום, אתה זקוק למקורות רקע בהירים מאוד. קוואזר הוא האובייקט המושלם ביקום הרחוק, מכיוון שהוא זוהר מספיק בכדי שנוכל לראות אותו טוב מאוד", אמרה חברת הצוות קמילה פסיפיק, המזוהה עם סוכנות החלל הקנדית אך עובדת כמדען מכשירים במכון למדע טלסקופ החלל בבולטימור. "אנחנו רוצים ללמוד את היקום המוקדם כי היקום מתפתח, ואנחנו רוצים לדעת איך הוא התחיל."

הצוות ינתח את האור שמקורו בקוואזרים עם NIRSpec כדי לחפש את מה שאסטרונומים מכנים "מתכות", שהם אלמנטים כבדים יותר ממימן והליום. אלמנטים אלה נוצרו בכוכבים הראשונים ובגלקסיות הראשונות וגורשו על ידי זרמים. הגז זז מהגלקסיות בהן היה במקור ולתוך המדיום הבין-גלקטי. הצוות מתכנן למדוד את ייצור "המתכות" הראשונות הללו, כמו גם את האופן שבו הם נדחפים החוצה למדיום הבין-גלקטי על ידי זרימות מוקדמות אלה.

כוחו של ווב

Webb הוא טלסקופ רגיש במיוחד המסוגל לזהות רמות אור נמוכות מאוד. זה חשוב, מכיוון שלמרות שהקוואזרים הם מאוד בהירים מאוד, אלה שהצוות הזה מתבונן בהם הם בין האובייקטים הרחוקים ביותר ביקום. לאמיתו של דבר, הם כל כך רחוקים שהאותות ש- Webb יקבל נמוכים מאוד מאוד. רק ברגישות המעולה של ווב ניתן להשיג מדע זה. Webb מספק גם רזולוציה זוויתית מצוינת, מה שמאפשר לפרק את האור של הקוואזאר מהגלקסיה המארחת שלו.

תוכניות הקוואזאר המתוארות כאן הן תצפיות זמן מובטחות הכרוכות ביכולות הספקטרוסקופיות של NIRSpec.

טלסקופ החלל של ג'יימס ווב יהיה המצפה המדעי הראשי בעולם למדע החלל כאשר יושק בשנת 2021. ווב יפתור תעלומות במערכת השמש שלנו, יסתכל מעבר לעולמות רחוקים סביב כוכבים אחרים, ויבחן את המבנים והמוצא המסתוריים של היקום שלנו ושל מקומנו. בּוֹ. ווב היא תוכנית בינלאומית בהובלת נאס"א עם שותפותיה, ESA (סוכנות החלל האירופית) וסוכנות החלל הקנדית.

למידע נוסף אודות Webb בקר בכתובת http: // www. נאסא. שדר / חגורה.

אנשי קשר לתקשורת:

אן ג'נקינס / כריסטין פוליאם
מכון מדע לטלסקופ החלל, בולטימור, מרילנד
410-338-4488 / 410-338-4366
[email protected] / [email protected]

לורה בץ
מרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א, גרינבלט, מר.
[email protected]

הצהרת אחריות: AAAS ו- EurekAlert! אינם אחראים לדיוק פרסומי החדשות שפורסמו ב- EurekAlert! על ידי תרומות מוסדות או לשימוש במידע כלשהו באמצעות מערכת EurekAlert.


אם קוואזרים מונעים על ידי חורים שחורים, מדוע הם כה בהירים? - אסטרונומיה

האם אתה יכול למצוא קוואזרים עם טלסקופ רגיל מכדור הארץ? אם הם כה בהירים מדוע או למה לא?

עם טלסקופ בגודל בינוני, אתה בטח יכול לראות קווזר. להלן רשימה של הקוואזרים הבהירים ביותר כפי שאתה יכול לראות, הבהירים ביותר הם בערך בעוצמה 13 (משתנה).

אם אתה מצליח לראות כזה, אל תתאכזב אם הוא נראה בדיוק כמו כוכב - זכור איזה אובייקט מדהים אתה מסתכל!

ללא ספק התיאוריה הפופולרית ביותר (ראה (**) להלן תיאוריות אחרות) הנוגעות לאופי קוואזרים אומרת שהן נמצאות בגלקסיות רחוקות ביותר, כך שההיסטים האדומים הגבוהים שנמדדו בספקטרום שלהם נובעים מהתפשטות היקום (הסטות אדומות) נמדדים עד 5.5, המקביל למרחק של כ- 14 מיליארד שנות אור). במקרה זה, כדי להביא בחשבון אפילו את הבהירות הנצפית יחסית, על הקוואזרים לפלוט כמויות אדירות של קרינה (אפילו בהתחשב בעדשות כובד) - ולכן קוואזרים הם זוהרים במיוחד (בהירים אם אתה עומד לידם), אך לא בהירים במיוחד בגלל מרחק גבוה. מקורות אפשריים לכמות קרינה יוצאת דופן זו כוללים גז הזורם לחור שחור מאסיבי מאוד, אינטראקציה גלקטית, גירוי היווצרות כוכבים אינטנסיבית ואובייקט מסתובב מאוד מגנטי מסוים כלשהו. כמובן שישנן אפשרויות רבות אחרות, אך עלינו לזכור שהמקור חייב להיות איכשהו ייחודי ליקום הצעיר, מכיוון שאיננו רואים שום קוואזרים קרובים (מבוגרים) וכי קוואזרים רבים משתנים בצורה דרמטית בהירותם ימים או שבועות, מה שמגביל את גודל המקור.

(**) (התיאוריה שתוארה לעיל נתמכה מאוד ברזולוציה של גלקסיות מארחות רבות. תיאוריה אחרת מפרשת קוואזרים כאובייקטים שהסטים האדומים שלהם נובעים מגירוש מגלקסיות מקומיות. אחרת אומרת שהשינויים האדומים אינם נובעים ממהירות כלל. , אלא כדי לפעול בלייזר באטמוספירה המתרחבת במהירות של כוכב בגלקסיה שלנו. ואז יש התיאוריה האומרת שהם ספינות כוכב בין-כוכביות, ואנחנו רואים רק את אלה שהולכים מאיתנו בגלל היצרות יחסית של זווית הקורה - מיותר לציין שיש בעיות רבות עם זה.)

דף זה עודכן לאחרונה ב -27 ביוני 2015.

על הסופר

שרה סלייטר

שרה היא סטודנטית לשעבר לתואר ראשון בקורנל וכיום סטודנטית לתואר שני בפיזיקה באוניברסיטת הרווארד, שם היא עובדת על קוסמולוגיה ופיזיקת חלקיקים.


האינטרנט של נאס"א ישתמש בקוואזרים כדי לפתוח את סודות היקום המוקדם

קוואזרים הם חורים שחורים סופר-מאסיביים בהירים, רחוקים ופעילים, שמסתם השמש מיליוני עד מיליארדי פעמים. הם ממוקמים בדרך כלל במרכז הגלקסיות, והם ניזונים מחומר מתפרק ומשחררים שטפי קרינה פנטסטיים. בין האובייקטים הבהירים ביותר ביקום, אור קוואזר מאיר את זה של כל הכוכבים בגלקסיה המארחת שלו יחד, וסילוניו ורוחותיו מעצבים את הגלקסיה בה היא שוכנת.

זמן קצר לאחר השקתו מאוחר יותר השנה, צוות מדענים יאמן את טלסקופ החלל ג'יימס ווב של נאס"א בשישה מהקוואזרים הרחוקים והמאירים ביותר. הם יחקרו את המאפיינים של קוואזרים אלה ואת הגלקסיות המארחות שלהם, וכיצד הם קשורים זה לזה בשלבים הראשונים של התפתחות הגלקסיה ביקום המוקדם מאוד. הצוות ישתמש גם בקוואזרים כדי לבחון את הגז בחלל שבין הגלקסיות, במיוחד בתקופת הריוניזציה הקוסמית, שהסתיימה כשהיקום היה צעיר מאוד. הם ישיגו זאת באמצעות הרגישות הקיצונית של ווב לרמות אור נמוכות וברזולוציה הזוויתית המעולה שלו.

Webb: ביקור ביקום הצעיר

כאשר ווב מציץ עמוק ביקום, הוא למעשה יסתכל אחורה בזמן. אור ממזמרות רחוקות אלה החל את דרכו לווב כשהיקום היה צעיר מאוד ולקח מיליארדי שנים להגיע. אנו נראה את הדברים כפי שהיו מזמן, לא כפי שהם היום.

"כל הקוואזרים האלה שאנחנו לומדים היו קיימים מוקדם מאוד, כאשר היקום היה בן פחות מ -800 מיליון שנה, או פחות מ -6% מגילו הנוכחי. אז התצפיות הללו נותנות לנו את ההזדמנות לחקור את התפתחות הגלקסיה ואת היווצרות האבולוציה הגדולה של החור השחור. בזמנים מאוד מוקדמים אלה ", הסביר חבר הצוות סנטיאגו אריבאס, פרופסור למחקר במחלקה לאסטרופיזיקה של המרכז לאסטרוביולוגיה במדריד, ספרד. Arribas הוא גם חבר בצוות מדע כלי הנגינה הקרוב אינפרא-אדום (NIRSpec) של ווב.

האור מאובייקטים רחוקים מאוד אלה נמתח על ידי הרחבת החלל. זה ידוע בתור שינוי אדום קוסמולוגי. ככל שהאור צריך לנסוע רחוק יותר, כך הוא מוסט יותר. למעשה, האור הגלוי שנפלט ביקום המוקדם נמתח בצורה כה דרמטית, עד שהוא מועבר החוצה לאינפרא אדום כשהוא מגיע אלינו. עם חבילת המכשירים המכוונים לאינפרא-אדום, Webb מתאים במיוחד לחקר אור מסוג זה.

לימוד קוואזרים, הגלקסיות והסביבות המארחות שלהם, וההזרמות החזקות שלהם

קוואזרים שהצוות ילמד הם לא רק בין הרחוקים ביקום, אלא גם בין המבריקים ביותר. קוואזרים אלה בדרך כלל הם בעלי מסות החורים השחורות הגבוהות ביותר, ויש להם גם שיעורי צמיחה גבוהים ביותר - הקצב שבו חומר נופל לתוך החורים השחורים.

"אנו מעוניינים להתבונן ברביעי הזריקה הזוהרים ביותר מכיוון שכמות האנרגיה הגבוהה מאוד שהם מייצרים למטה בליבותיהם אמורה להוביל להשפעה הגדולה ביותר על הגלקסיה המארחת על ידי מנגנונים כמו זרימת קוואזר וחימום," אמר כריס. וילוט, מדען מחקר במרכז המחקר אסטרונומיה ואסטרופיזיקה בהרצברג של המועצה הלאומית למחקר בקנדה (NRC) בוויקטוריה, קולומביה הבריטית. וילוט הוא גם מדען פרויקט ה- Webb של סוכנות החלל הקנדית. "אנו רוצים לצפות בקוואזרים האלה ברגע שיש להם את ההשפעה הגדולה ביותר על הגלקסיות המארחות שלהם."

כמות עצומה של אנרגיה משתחררת כאשר החומר נגרם על ידי החור השחור המסיבי. אנרגיה זו מתחממת ודוחפת את הגז שמסביב החוצה, ויוצרת זרימות חזקות אשר נקרעות על פני החלל הבין כוכבי כמו צונאמי, ומזרעות את הגלקסיה המארחת.

הזרימות ממלאות תפקיד חשוב בהתפתחות הגלקסיות. גז מתדלק את היווצרותם של כוכבים, ולכן כאשר מסלקים גז עקב זרימה, קצב היווצרות הכוכבים פוחת. במקרים מסוימים, הזרימה כה חזקה ומוציאה כמויות גדולות כל כך של גז, עד כי הן יכולות לעצור את היווצרות הכוכבים בתוך הגלקסיה המארחת. מדענים גם חושבים שזרמים הם המנגנון העיקרי שבאמצעותו גז, אבק ואלמנטים מועברים מחדש למרחקים גדולים בתוך הגלקסיה או אפילו יכולים להיפטר לחלל שבין הגלקסיות - המדיום הבין-גלקטי. זה עשוי לעורר שינויים מהותיים בתכונות של הגלקסיה המארחת והן של המדיום הבין-גלקטי.

בחינת תכונות המרחב הבין-גלקטי בתקופת הריון מחדש

לפני יותר מ -13 מיליארד שנה, כשהיקום היה צעיר מאוד, הנוף היה רחוק מלהיות ברור. גז נייטרלי בין גלקסיות הפך את היקום אטום לכמה סוגי אור. במשך מאות מיליוני שנים הפך הגז הנייטרלי במדיום הבין-גלקטי לטעון או מיונן, מה שהופך אותו לשקוף לאור אולטרה סגול. תקופה זו נקראת עידן הריוניזציה. אך מה הביא למינון מחדש שיצר את התנאים ה"ברורים "שהתגלו בחלק גדול מהיקום כיום? ווב יציץ עמוק לחלל כדי לאסוף מידע נוסף על המעבר הגדול הזה בתולדות היקום. התצפיות יסייעו לנו להבין את עידן הריוניזציה, שהוא אחד הגבולות המרכזיים באסטרופיזיקה.

הצוות ישתמש בקוואזרים כמקור אור רקע כדי לחקור את הגז בינינו לבין הקוואזאר. גז זה סופג את אור הקוואזאר באורכי גל ספציפיים. באמצעות טכניקה הנקראת ספקטרוסקופיית הדמיה, הם יחפשו קווי ספיגה בגז המתערב. ככל שהקוואזר בהיר יותר, כך תכונות קו הקליטה יהיו חזקות יותר בספקטרום. על ידי קביעתם האם הגז ניטרלי או מיונן, המדענים ילמדו עד כמה היקום הוא ניטרלי וכמה מתהליך הריוניזציה הזה התרחש בנקודת זמן מסוימת זו.

"אם אתה רוצה לחקור את היקום, אתה זקוק למקורות רקע בהירים מאוד. קוואזר הוא האובייקט המושלם ביקום הרחוק, מכיוון שהוא זוהר מספיק בכדי שנוכל לראות אותו טוב מאוד", אמרה חברת הצוות קמילה פסיפיקי, המזוהה עם סוכנות החלל הקנדית אך עובדת כמדען מכשירים במכון למדע טלסקופ החלל בבולטימור. "אנחנו רוצים ללמוד את היקום המוקדם כי היקום מתפתח, ואנחנו רוצים לדעת איך הוא התחיל."

הצוות ינתח את האור המגיע מהקוואזרים עם NIRSpec בכדי לחפש את מה שאסטרונומים מכנים "מתכות", שהם אלמנטים כבדים יותר ממימן והליום. These elements were formed in the first stars and the first galaxies and expelled by outflows. The gas moves out of the galaxies it was originally in and into the intergalactic medium. The team plans to measure the generation of these first "metals," as well as the way they're being pushed out into the intergalactic medium by these early outflows.

The Power of Webb

Webb is an extremely sensitive telescope able to detect very low levels of light. This is important, because even though the quasars are intrinsically very bright, the ones this team is going to observe are among the most distant objects in the universe. In fact, they are so distant that the signals Webb will receive are very, very low. Only with Webb's exquisite sensitivity can this science be accomplished. Webb also provides excellent angular resolution, making it possible to disentangle the light of the quasar from its host galaxy.

The quasar programs described here are Guaranteed Time Observations involving the spectroscopic capabilities of NIRSpec.

The James Webb Space Telescope will be the world's premier space science observatory when it launches in 2021. Webb will solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the mysterious structures and origins of our universe and our place in it. Webb is an international program led by NASA with its partners, ESA (European Space Agency) and the Canadian Space Agency.

For more information about Webb, visit http://www. nasa. gov/ webb.

Media contacts:

Ann Jenkins / Christine Pulliam
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland
410-338-4488 / 410-338-4366
[email protected] / [email protected]

Laura Betz
NASA's Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.
[email protected]

הצהרת אחריות: AAAS and EurekAlert! are not responsible for the accuracy of news releases posted to EurekAlert! by contributing institutions or for the use of any information through the EurekAlert system.


NASA's Webb telescope will look back in time and use quasars to uncover the secrets of the early universe

This is the artistic concept of a galaxy with a bright quasar at its center. A quasar is a very bright, distant, and active supermassive black hole that has millions to billions of times the mass of the Sun. Among the brightest objects in the universe, the light from a quasar exceeds that of all the stars combined in its host galaxy. Quasars feed on falling matter and release torrents of wind and radiation, shaping the galaxies in which they reside. Using Webb's unique resources, scientists will study six of the most distant and luminous quasars in the universe. Credit: NASA, ESA and J. Olmsted (STScI)

Shining all the stars in their host galaxies combined, quasars are among the brightest objects in the universe. These bright, distant, active supermassive black holes shape the galaxies in which they reside. Shortly after its launch, scientists will use Webb to study six of the most distant and luminous quasars, along with their host galaxies, in the very young universe. They will examine what role quasars play in the evolution of the galaxy during these early days. The team will also use quasars to study gas in the space between galaxies in the children's universe. Only with Webb's extreme sensitivity to low light levels and its excellent angular resolution will be possible.

Quasars are very bright, distant, and active supermassive black holes that have millions to billions of times the mass of the Sun. Usually located at the center of galaxies, they feed on falling matter and release fantastic streams of radiation. Among the brightest objects in the universe, the light of a quasar surpasses that of all the stars in its host galaxy combined, and its jets and winds shape the galaxy in which it resides.READ Five healthcare professionals died from COVID-19 in the last week

Shortly after its launch later this year, a team of scientists will train NASA's James Webb Space Telescope in six of the most distant and brightest quasars. They will study the properties of these quasars and their host galaxies, and how they are interconnected during the early stages of galaxy evolution in the early universe. The team will also use quasars to examine gas in the space between galaxies, particularly during the period of cosmic reionization, which ended when the universe was very young. They will do so using Webb's extreme sensitivity to low light levels and excellent angular resolution.

More than 13 billion years ago, during the Age of Reionization, the universe was a very different place. The gas between the galaxies was largely opaque to energetic light, making it difficult to observe young galaxies. What allowed the universe to become completely ionized or transparent, which eventually led to the "clear" conditions detected in much of the universe today? The James Webb Space Telescope will look deeply at space to gather more information about the objects that existed during the Age of Reionization to help us understand this important transition in the history of the universe. Credit: NASA, ESA and J. Kang (STScI)

Webb: Visiting the Young Universe

While Webb looks into the depths of the universe, he actually looks back in time. The light from these distant quasars began its journey to Webb when the universe was very young and took billions of years to arrive. We will see things as they were a long time ago, not as they are today.READ Starliner test flight scheduled for July 30

"All these quasars that we are studying existed very early when the universe was less than 800 million years old, or less than 6% of its current age. Therefore, these observations allow us to study the evolution of the galaxy and the formation and evolution of supermassive black holes in those very ancient times, "explained team member Santiago Arribas, research professor of the Department of Astrophysics of the Center for Astrobiology in Madrid, Spain. Arribas is also a member of Webb's near-infrared spectrography (NIRSpec) scientific team.

The universe is expanding and this expansion extends light traveling through space in a phenomenon known as cosmological redshift. The greater the redshift, the greater the distance traveled by the light. As a result, telescopes with infrared detectors are needed to see light from the oldest and most distant galaxies. Credit: NASA, ESA and L. Hustak (STScI)

The light from these very distant objects has been stretched by the expansion of space. This is known as cosmological redshift. The farther the light has to travel, the more it shifts to red. In fact, the visible light emitted at the beginning of the universe stretches so dramatically that it shifts to the infrared when it reaches us. With its variety of infrared-tuned instruments, Webb is especially suitable for studying this type of light.

Study quasars, their galaxies and host environments, and their powerful outflows.

The quasars the team will study are not only among the most distant in the universe but also among the brightest. These quasars usually have the highest black hole masses and also the highest accretion rates, the rates at which material falls into black holes.

"We are interested in observing the brightest quasars because a large amount of energy they are generating in their cores should lead to the greatest impact on the host galaxy by mechanisms such as outflow and quasar warming," said Chris Willott, a research scientist at the Herzberg Research Centre for Astronomy and Astrophysics at the National Research Council of Canada (NRC) in Victoria. British Columbia. Willott is also a scientist on the Canadian Space Agency's Webb project. "We want to observe these quasars as they are having the greatest impact on their host galaxies."

A great deal of energy is released when the supermassive black hole adds matter. This energy heats up and pushes the surrounding gas out, generating strong flows that travel through interstellar space like a tsunami, wreaking havoc on the host galaxy.

Notice how the jets and winds of a supermassive black hole affect its host galaxy and space hundreds of thousands of light-years away for millions of years. Credit: NASA, ESA and L. Hustak (STScI)

Outflows play an important role in the evolution of the galaxy. The gas feeds the formation of stars, so when the gas is removed due to a leak, the rate of star formation decreases. In some cases, the outflows are so powerful and release large amounts of gas that they can completely stop the formation of stars within the host galaxy. Scientists also think that outflows are the main mechanism by which gas, dust, and elements are redistributed over great distances within the galaxy or can even be ejected into the space between galaxies, the intergalactic medium. This can cause fundamental changes in the properties of the host galaxy and the intergalactic medium.

Examining the properties of intergalactic space during the era of reionization

More than 13 billion years ago, when the universe was very young, the vision was far from clear. The neutral gas between the galaxies caused the universe to become opaque to some types of light. For hundreds of millions of years, the neutral gas in the intergalactic medium was charged or ionized, making it transparent to ultraviolet light. This period is called the Age of Reionization. But what led to the reionization that created the "clear" conditions detected in much of today's universe? Webb will deeply analyze space to gather more information about this important transition in the history of the universe. The observations will help us understand the Age of Reionization, which is one of the main frontiers of astrophysics.

The team will use quasars as backlight sources to study the gas between us and the quasar. This gas absorbs light from the quasar at specific wavelengths. Using a technique called imaging spectroscopy, they look for absorption lines in the intermediate gas. The brighter the quasar, the stronger the characteristics of the absorption line in the spectrum. By determining whether the gas is neutral or ionized, scientists will learn how neutral the universe is and how much of this reionization process took place at that particular time.

The James Webb Space Telescope will use an innovative instrument called an integral field unit (IFU) to capture images and spectra at the same time. This video provides a basic description of how the IFU works. Credit: NASA, ESA, CSA, and L. Hustak (STScI)

"If you want to study the universe, you need very bright background sources. A quasar is a perfect object in the distant universe because it's bright enough that we can see it very well," said Camilla Pacific, a member of the team, who is affiliated with the Canadian Space Agency but works as an instrument scientist in space. Institute of Telescope Sciences in Baltimore. "We want to study the early universe because the universe evolves and we want to know how it started."

The team will analyze the light from quasars with NIRSpec to look for what astronomers call "metals," which are elements heavier than hydrogen and helium. These elements formed in the first stars and early galaxies and were ejected by spills. The gas leaves the galaxies it was originally in and enters the intergalactic medium. The team plans to measure the generation of these early "metals," as well as how these initial flows push them into the intergalactic medium.

Webb's Power

Webb is an extremely sensitive telescope capable of detecting very low light levels. This is important because, although quasars are inherently very bright, the ones this team will observe are among the most distant objects in the universe. In fact, they are so far away that the signals that Webb will receive are very, very low. Only with Webb's exquisite sensitivity can this science be achieved. Webb also offers excellent angular resolution, allowing you to separate quasar light from your host galaxy.

The quasar programs described here are Guaranteed Time Observations involving the spectroscopic capabilities of NIRSpec.

The James Webb Space Telescope will be the world's leading space science observatory when it launches in 2021. Webb will solve mysteries in our solar system, see beyond distant worlds around other stars, and investigate the mysterious structures and origins of our universe and ours. place of start. Webb is an international program run by NASA with its partners, ESA (European Space Agency) and the Canadian Space Agency.


The Power Source of Quasars

Quasars are by far the brightest objects in the universe. When astronomers first calculated the energy output of quasars, many of them didn't believe anything could emit that much energy. Some astronomers started looking for other explanations. Many people proposed that the redshifts did not indicate distance and were due to other causes. But further research eventually ruled out the alternative theories, leading most astronomers to conclude that quasars really are the most distant and luminous objects in the universe.

There are very few energy sources that produce enough energy to power a quasar. The possible source that best fits the observed properties of quasars is a supermassive black hole.

A black hole is a region of space from which nothing can escape, not even light. Small black holes result from the deaths of very massive stars. The black holes at the centers of quasars have masses of millions or even billions times our Sun's. Although the mass of a typical quasar black hole is very large, its radius is only about as large as our solar system. No one knows how these supermassive black holes come about their origin is the subject of intense research.

A dust disk believed to circle a black hole in the galaxy NGC 7052
Image courtesy the Space Telescope Science Institute

At the center of a quasar, the black hole is surrounded by a large, rotating cloud of gas. As the gas falls into the black hole, it is heated up to millions of degrees. The gas emits thermal radiation due to its enormous heat. This thermal radiation spans the spectrum, making the quasar bright in the visible spectrum as well as x-rays.

There is a limit as to how bright a quasar can be, called the Eddington limit, which depends on the mass of the black hole. If too much gas falls into the black hole at once, the gas heats up and creates pressure. This pressure slows down the flow of gas, keeping the luminosity of the quasar below the Eddington limit.

One of the most important facts about quasars is that they are all very distant from us. The closest quasar is about 800 million light years away. Therefore, we can conclude that there are no quasars in the universe today and the last quasar disappeared about 800 million years ago.

Where did the quasars go? No one can say for sure. Given their power source, however, it is most likely that they simply ran out of fuel. The black holes eventually consumed all the gas and dust in the disk surrounding them, so the quasars ceased to shine.


NASA’s Webb Will Use Quasars to Unlock the Secrets of the Early Universe

Quasars are very bright, distant and active supermassive black holes that are millions to billions of times the mass of the Sun. Typically located at the centers of galaxies, they feed on infalling matter and unleash fantastic torrents of radiation. Among the brightest objects in the universe, a quasar’s light outshines that of all the stars in its host galaxy combined, and its jets and winds shape the galaxy in which it resides.

This is an artist’s concept of a galaxy with a brilliant quasar at its center. A quasar is a very bright, distant and active supermassive black hole that is millions to billions of times the mass of the Sun. Among the brightest objects in the universe, a quasar’s light outshines that of all the stars in its host galaxy combined. Quasars feed on infalling matter and unleash torrents of winds and radiation, shaping the galaxies in which they reside. Using the unique capabilities of Webb, scientists will study six of the most distant and luminous quasars in the universe.
Credits: NASA, ESA and J. Olmsted (STScI)

Shortly after its launch later this year, a team of scientists will train NASA’s James Webb Space Telescope on six of the most distant and luminous quasars. They will study the properties of these quasars and their host galaxies, and how they are interconnected during the first stages of galaxy evolution in the very early universe. The team will also use the quasars to examine the gas in the space between galaxies, particularly during the period of cosmic reionization, which ended when the universe was very young. They will accomplish this using Webb’s extreme sensitivity to low levels of light and its superb angular resolution.

Webb: Visiting the Young Universe

As Webb peers deep into the universe, it will actually look back in time. Light from these distant quasars began its journey to Webb when the universe was very young and took billions of years to arrive. We will see things as they were long ago, not as they are today.

“All these quasars we are studying existed very early, when the universe was less than 800 million years old, or less than 6 percent of its current age. So these observations give us the opportunity to study galaxy evolution and supermassive black hole formation and evolution at these very early times,” explained team member Santiago Arribas, a research professor at the Department of Astrophysics of the Center for Astrobiology in Madrid, Spain. Arribas is also a member of Webb’s Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) Instrument Science Team.

The light from these very distant objects has been stretched by the expansion of space. This is known as cosmological redshift. The farther the light has to travel, the more it is redshifted. In fact, the visible light emitted at the early universe is stretched so dramatically that it is shifted out into the infrared when it arrives to us. With its suite of infrared-tuned instruments, Webb is uniquely suited to studying this kind of light.

Studying Quasars, Their Host Galaxies and Environments, and Their Powerful Outflows

The quasars the team will study are not only among the most distant in the universe, but also among the brightest. These quasars typically have the highest black hole masses, and they also have the highest accretion rates — the rates at which material falls into the black holes.

“We’re interested in observing the most luminous quasars because the very high amount of energy that they’re generating down at their cores should lead to the largest impact on the host galaxy by the mechanisms such as quasar outflow and heating,” said Chris Willott, a research scientist at the Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Centre of the National Research Council of Canada (NRC) in Victoria, British Columbia. Willott is also the Canadian Space Agency’s Webb project scientist. “We want to observe these quasars at the moment when they’re having the largest impact on their host galaxies.”

An enormous amount of energy is liberated when matter is accreted by the supermassive black hole. This energy heats and pushes the surrounding gas outward, generating strong outflows that tear across interstellar space like a tsunami, wreaking havoc on the host galaxy.

Outflows play an important role in galaxy evolution. Gas fuels the formation of stars, so when gas is removed due to outflows, the star-formation rate decreases. In some cases, outflows are so powerful and expel such large amounts of gas that they can completely halt star formation within the host galaxy. Scientists also think that outflows are the main mechanism by which gas, dust and elements are redistributed over large distances within the galaxy or can even be expelled into the space between galaxies – the intergalactic medium. This may provoke fundamental changes in the properties of both the host galaxy and the intergalactic medium.

Examining Properties of Intergalactic Space During the Era of Reionization

More than 13 billion years ago, when the universe was very young, the view was far from clear. Neutral gas between galaxies made the universe opaque to some types of light. Over hundreds of millions of years, the neutral gas in the intergalactic medium became charged or ionized, making it transparent to ultraviolet light. This period is called the Era of Reionization. But what led to the reionization that created the “clear” conditions detected in much of the universe today? Webb will peer deep into space to gather more information about this major transition in the history of the universe. The observations will help us understand the Era of Reionization, which is one of the key frontiers in astrophysics.

The team will use quasars as background light sources to study the gas between us and the quasar. That gas absorbs the quasar’s light at specific wavelengths. Through a technique called imaging spectroscopy, they will look for absorption lines in the intervening gas. The brighter the quasar is, the stronger those absorption line features will be in the spectrum. By determining whether the gas is neutral or ionized, scientists will learn how neutral the universe is and how much of this reionization process has occurred at that particular point in time.

“If you want to study the universe, you need very bright background sources. A quasar is the perfect object in the distant universe, because it’s luminous enough that we can see it very well,” said team member Camilla Pacifici, who is affiliated with the Canadian Space Agency but works as an instrument scientist at the Space Telescope Science Institute in Baltimore. “We want to study the early universe because the universe evolves, and we want to know how it got started.”

The team will analyze the light coming from the quasars with NIRSpec to look for what astronomers call “metals,” which are elements heavier than hydrogen and helium. These elements were formed in the first stars and the first galaxies and expelled by outflows. The gas moves out of the galaxies it was originally in and into the intergalactic medium. The team plans to measure the generation of these first “metals,” as well as the way they’re being pushed out into the intergalactic medium by these early outflows.

The Power of Webb

Webb is an extremely sensitive telescope able to detect very low levels of light. This is important, because even though the quasars are intrinsically very bright, the ones this team is going to observe are among the most distant objects in the universe. In fact, they are so distant that the signals Webb will receive are very, very low. Only with Webb’s exquisite sensitivity can this science be accomplished. Webb also provides excellent angular resolution, making it possible to disentangle the light of the quasar from its host galaxy.

The quasar programs described here are Guaranteed Time Observations involving the spectroscopic capabilities of NIRSpec.

The James Webb Space Telescope will be the world’s premier space science observatory when it launches in 2021. Webb will solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the mysterious structures and origins of our universe and our place in it. Webb is an international program led by NASA with its partners, ESA (European Space Agency) and the Canadian Space Agency.


50-Year Cosmic Mystery: 10 Quasar Questions for Discoverer Maarten Schmidt

Astronomy changed forever 50 years ago this week, when scientists first began to understand the true nature of quasars, the brightest objects in the universe.

On March 16, 1963, Dutch-born astronomer Maarten Schmidt published the first-ever definitive measurement of the distance to a quasar, finding that a puzzling object called 3C 273 lies about 2.5 billion light-years from Earth.

The stunning discovery showed that 3C 273's inherent luminosity must be off the charts for it to appear so bright despite its immense distance. The object was no star, despite the starlike characteristics of its light emissions. ("Quasar" is short for "quasi-stellar radio source.")

Over time, astronomers figured out that quasars actually shine from the cores of galaxies, blazing forth when the supermassive black holes that lurk there gobble up huge quantities of gas, dust and other matter. Still, there remain many mysteries about quasars that researchers have yet to solve.

SPACE.com caught up with Schmidt, now a professor emeritus at Caltech in Pasadena, this week to discuss quasars, how they have improved our understanding of the universe and how he feels on the cusp of this big anniversary:

SPACE.com: So how does it feel now, 50 years after making that seminal discovery?

Maarten Schmidt: Besides the fact that I'm 50 years older (laughs)? It's somewhat hard to believe.

Quasars have had a major effect on astronomy, because they introduced black holes in astronomy. And of course they are objects that are so immensely bright you can see them all over the universe. [The History & Structure of the Universe (Infographic)]

SPACE.com: Are the memories of the discovery still vivid in your mind?

Schmidt: Oh, clearly, yes. I certainly saw in the spectrum of 3C 273 that it was quite simply the hydrogen spectrum in emission, with Balmer lines, and that it was shifted by about six of their wavelengths to the red [indicating rapid motion away from the observer more distant objects are receding at a greater rate]. And since the object looked like a star, this was stunning. What was happening?

It clearly was not a star stars don't do that. They have very small redshifts &mdash up to 0.2 percent because of their movements, never bigger. And this was 16 percent, 80 times larger. So what I was looking at could not be an ordinary star at all.

Interpreting it as a cosmological redshift, which I soon did because it was so bright in the sky &mdash the luminosity turned out to be very high. And that was remarkable, because it was immensely brighter than normal galaxies, even the biggest galaxies.

So here you have something that is out in the universe, it's more luminous than an entire galaxy, and it looks like a star. It was an astounding experience.

SPACE.com: Where does that moment rank in your career?

Schmidt: It was the most important finding in my whole career. Most other work that I did was long work, first in Holland, on 21-centimeter [emission wavelength] work with galactic structure, uncovering the spiral structure in our galaxy with 21 centimeters in the middle '50s, and then later on certain other work. But this beat it all.

And the funny thing is, that while most of those other studies were long studies of years and years, this all came out more or less in a month &mdash technically, in an afternoon. [Most Powerful Quasar Discovered (Video)]

SPACE.com: How has discovering the nature of quasars impacted astronomy and our understanding of the universe?

Schmidt: There are two aspects to it. The astrophysics was really important, because they were black holes, and apparently they were accreting material. After all, a black hole is black if you don't make it accrete stuff from the neighborhood. But if you feed it stuff, you get a very luminous accretion disk that is in fact much brighter than the whole galaxy &mdash hard to believe &mdash and it was that thing that we were seeing. That had not been realized or seen before, and that was very important.

The other thing was that when you looked at the statistics, it turned out that 10 billlion years ago, there were 100 times more of these quasars than now. And that came from [Schmidt's] laborious work on statistics and finding complete samples that are well-defined in terms of magnitude and redshifts and all sorts of other things.

We still have a few [quasars] in the universe, but it looks like soon they will die out. That's rather strange, but of course in a field like this, you cannot limit yourself to the things that you were thinking of that you might be seeing. You have to take it the way it comes.

And they were very difficult to study, because what do you do with a point source? The only thing that you sort of can do is spread out the spectrum and look at the spectrum, and that was done in getting the redshift, and then the conditions of the gas that was emitting &mdash that could all be studied.

But it didn't allow all that much detailed information to be gathered, and so it took also theoretical work eventually &mdash in particular from [Donald] Lynden-Bell at Cambridge in 1969 &mdash to come up with the idea of black holes being involved and accreting material from their environment. [Images: Black Holes of the Universe]

SPACE.com: And quasars also let astronomers peer far back in time, don't they?

Schmidt: Yes. Since quasars are so bright, you can see them at very large distances. And from these large distances, it takes the light many years to get here.

So necessarily with the quasars, you look back in time. You look back at objects as they were long ago &mdash the larger the redshift, the longer ago. So that is an important aspect of the whole study &mdash that you can document the evolution of the universe and its contents, starting with quasars.

These days, after 50 years, it can also be done with other objects like gamma-ray bursts and even galaxies. But with quasars, because they were so bright and luminous, it could be done immediately after I discovered the redshift.

So already in 1965 I think, and certainly in 1966, I had already developed in the scientific literature quite a complete idea and results of how quasars evolved in the universe, from the beginning until today. And that work to quite a degree still stands.

SPACE.com: How do you feel about the current state of the field? Have we made a lot of progress toward understanding quasars in the past half-century?

Schmidt: The understanding has not developed very much in those 50 years. Tomorrow [Thursday] in [the journal] Nature, you'll find a comment from an astronomer who is almost criticizing astronomy for not achieving this.

But it's a difficult problem. And as I said, one part of why it is difficult is that you only see a point source. So you don't see its structure it's a difficult thing to get ahold of. You can't help it.

SPACE.com: How can we gain a better understanding of what drives quasars? Do we need better instruments? Do we need better theory?

Schmidt: We have to go to the biggest possible resolution in space, in sort of angle, so that you can try to make a map of the quasar.

Now that is not impossible, because in very large baseline radio astronomy, where you have interferometers that span over very many miles &mdash sometimes even across the Earth &mdash with a large number of radio antennas all working on the same quasar at the same time, you can come up with a map that has exquisite resolution in angle. And what you then see is very interesting, because you see that there is motion outward.

And originally, in the middle '70s, it was claimed that this motion was faster than the velocity of light. But it turned out later on that this had to do with angles and so on, and there is in reality no such effect. But these motions out of the centers of quasars happen themselves with a speed which is a large fraction of that of light.

So that is the beginning &mdash that was the beginning it's already been many years &mdash of fascinating studies about, on the very small scale, the development of quasars, their structure, and how, believe it or not, from month to month, that structure changes.

SPACE.com: What's the biggest quasar mystery yet to be solved?

Schmidt: That's hard to say. I think, in detail, understanding the source of the energy is probably what is still lacking. But when I say "in detail," I must admit a certain ignorance, and I couldn't explain what I have in mind further. But that's my suspicion, that that's still somewhat weak.

SPACE.com: Are you doing anything to celebrate the 50-year anniversary?

Schmidt: Well, at Caltech there will be an international symposium, which will be held on September 9 and 10. So that will be the occasion.

SPACE.com: But you're not doing anything on a personal level?

Schmidt: No, nothing in particular. I'll find myself tonight [Wednesday] talking to the BBC, perhaps live, but that's the end of the publicity this week.


Movement of black holes powers quasars, the universe's brightest lights

Whether on their own or orbiting as a pair, black holes don't typically sit still. Not only do they spin, they can also move laterally across their host galaxy. And according to astrophysicists at Brigham Young University, both types of movement power massive jets of energy known as quasars.

The study, which appears in the current issue of הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים, is the first to compute what may fuel some of the brightest persistent lights in the universe.

These spectacular jets stream out of galaxies that contain discs of debris and gas, the remnants of stars ripped apart by the force from black holes.

"The black hole is like a generator spinning around in these magnetic fields," said BYU professor David Neilsen, lead author of the study. "The way the field lines get twisted around and pulled by the spinning black hole creates electromagnetic tension that gets turned into radiation and energy that goes out."

One black hole in the galaxy Centauras A propels radiation in a jet measuring 1 million light-years long.

The spin of black holes has been believed to play a role since the idea was put forward in 1977. The new study confirms this theory while also introducing a totally new component: that a black hole's lateral movement also powers these jets.

"Rotational kinetic energy contributes, but the simple movement like a billiard ball can also contribute to this," said BYU professor Eric Hirschmann, a co-author of the study. "The two processes don't compete with each other, they combine with each other to give you the overall energy that streams away from the black hole."

In other words, the biggest and brightest quasars could come from black holes that both spin fast and traverse their host galaxy at high speeds.

Researchers from six other institutions appear as co-authors on the new study.