Pesquisa do Telescópio Espacial Webb por buracos negros primordiais

Equipe do Telescópio Espacial Webb continue trabalhando em mim comissionamento É a última etapa antes do início das operações científicas no verão. Recentemente vimos a foto incrível de O buraco negro no centro da nossa galáxia Via Lácteatomado por telescópio horizonte de eventos. Um dos mistérios da astronomia moderna é o tamanho de cada um galáxia Ele veio para ter uma centralidade gigante Buraco negroe como alguns desses buracos negros são surpreendentemente grandes mesmo nos primórdios do universo. Pedimos a Roberto Maiolino, membro da equipe do Near Infrared Spectrometer (NIRSpec) do Webb, para nos dizer como o Webb ajudará a responder a algumas dessas perguntas.

“Uma das áreas mais emocionantes de descoberta que Webb está prestes a desvendar é a busca por buracos negros primordiais no universo primitivo. Estas são as sementes dos buracos negros mais massivos que os astrônomos encontraram em núcleos galácticos. A maioria (talvez todos)” galáxias hospedam buracos negros em seus centros, e suas massas variam de milhões a bilhões de vezes a massa do nosso Sol, esses buracos negros supermassivos cresceram e se tornaram muito grandes devorando matéria ao seu redor e também fundindo buracos negros menores.

“A última descoberta interessante é a descoberta de buracos negros supermassivos, com massas de vários bilhões de massas solares, que realmente existiam quando o universo tinha apenas cerca de 700 milhões de anos, uma fração de sua idade atual de 13,8 bilhões de anos. Isso é intrigante. resultado, porque em idades tão precoces não havia tempo suficiente para o desenvolvimento de buracos negros tão massivos, de acordo com as teorias padrão. Alguns cenários foram propostos para resolver esse mistério.

Uma possibilidade é que os buracos negros, causados ​​pela morte da primeira geração de estrelas no início do universo, acumularam material a taxas excepcionalmente altas. Outro cenário é que nuvens de gás primordial, que ainda não são enriquecidas com elementos químicos mais pesados ​​que o hélio, podem colapsar diretamente para formar[{” attribute=””>black hole with a mass of a few hundred thousand solar masses, and subsequently accrete matter to evolve into the hyper-massive black holes observed at later epochs. Finally, dense, nuclear star clusters at the centers of baby galaxies may have produced intermediate mass black hole seeds, via stellar collisions or merging of stellar-mass black holes, and then become much more massive via accretion.

This illustration shows the populations of known black holes (large black dots) and the candidate black hole progenitors in the early universe (shaded regions). Credit: Roberto Maiolino, University of Cambridge

“Webb is about to open a completely new discovery space in this area. It is possible that the first black hole seeds originally formed in the ‘baby universe,’ within just a few million years after the big bang. Webb is the perfect ‘time machine’ to learn about these primeval objects. Its exceptional sensitivity makes Webb capable of detecting extremely distant galaxies, and because of the time required for the light emitted by the galaxies to travel to us, we will see them as they were in the remote past.

“Webb’s NIRSpec instrument is particularly well suited to identify primeval black hole seeds. My colleagues in the NIRSpec Instrument Science Team and I will be searching for their signatures during ‘active’ phases, when they are voraciously gobbling matter and growing rapidly. In these phases the material surrounding them becomes extremely hot and luminous and ionizes the atoms in their surroundings and in their host galaxies.

“NIRSpec will disperse the light from these systems into spectra, or ‘rainbows.’ The rainbow of active black hole seeds will be characterised by specific ‘fingerprints,’ features of highly ionized atoms. NIRSpec will also measure the velocity of the gas orbiting in the vicinity of these primeval black holes. Smaller black holes will be characterized by lower orbital velocities. Black hole seeds formed in pristine clouds will be identified by the absence of features associated with any element heavier than helium.

“I look forward to using Webb’s unprecedented capabilities to search for these black hole progenitors, with the ultimate goal of understanding their nature and origin. The early universe and the realm of black holes seeds is a completely uncharted territory that my colleagues and I are very excited to explore with Webb.”

— Roberto Maiolino, professor of experimental astrophysics and director of the Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge

Written by:

• Jonathan Gardner, Webb deputy senior project scientist, NASA’s Goddard Space Flight Center
• Stefanie Milam, Webb deputy project scientist for planetary science, NASA’s Goddard Space Flight Center