宇宙模拟显示,韦伯望远镜可以揭示隐藏在类星体眩光中的遥远星系

高红移类星体和伴生星系

这幅艺术家的插图描绘了存在于宇宙最初10亿年的两个星系。左边较大的星系中心有一颗明亮的类星体,其光芒是由超大质量黑洞周围的热物质提供的。科学家们计算出,NASA即将推出的詹姆斯·韦伯太空望远镜的分辨率和红外灵敏度,将允许它探测到这样一个布满灰尘的宿主星系,尽管类星体的探照灯光束。作者:J. Olmsted (STScI)

韦伯观察将从宇宙中寻找尘土飞扬的星系。

在遥远的年轻宇宙中,最亮的物体是类星体。这些宇宙信标是由超大质量黑洞以惊人的速度吞噬物质提供能量的。类星体是如此明亮,以至于它们的亮度超过了它们所在的整个星系,这使得研究这些星系并将它们与没有类星体的星系进行比较变得困难。

一个新的理论研究审查了多大程度美国国家航空航天局即将到来詹姆斯韦伯太空望远镜,预计将于2021年发射,它将能够将宿主星系的光与明亮的中央类星体分开。研究人员发现,韦伯可以探测到大爆炸后仅10亿年就存在的宿主星系。


该视频放大了称为Bluetides的宇宙的高度详细仿真。与十个视频的标志性的力量一样,每个步骤覆盖比前一个更小的距离。第一帧跨越约2亿光年,而第四个和最终框架仅跨越20万光年,含有两个星系。研究人员使用这种模拟来调查包含Quasars的星系的性质 - 明亮的银灰质核心,由凸起的超迹黑洞提供动力。信用:Y.Ni(卡内基梅隆大学)和L. Hustak(Stsci)

类星体是宇宙中最明亮的天体,也是最有活力的天体之一。它们的光芒超过了由数十亿颗恒星组成的整个星系。一个超大质量黑洞位于每个类星体的中心,但并不是每个黑洞都是类星体。只有狼吞虎咽的黑洞才能为类星体提供能量。落入超大质量黑洞的物质会升温,导致类星体像灯塔灯塔一样在宇宙中闪耀。

虽然我们知道类星体位于星系的中心,但很难知道这些星系是什么样子的,以及它们如何与没有类星体的星系相比较。挑战在于类星体的强光使得它很难或者不可能梳理出周围宿主星系的光。这就像直接看着一辆汽车的前灯,试图弄清楚它附着在什么样的汽车上。

一项新的研究[1]这表明,将于2021年发射的美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜将能够揭示一些遥远类星体的宿主星系,尽管它们体积很小,且尘埃模糊。

来自韦伯和哈勃的模拟红外图像

这些模拟图像显示了类星体及其宿主星系在NASA即将推出的詹姆斯·韦伯太空望远镜(上图)和哈勃太空望远镜(下图)上分别以1.5和1.6微米的红外波长出现的情况。韦伯的大镜子将提供超过4倍的分辨率,使天文学家能够将银河系的光与中心类星体的强光分开。这些单幅图像在天空中的跨度约为2弧秒,红移为7时表示距离为36000光年。马歇尔(墨尔本大学)

“我们想知道这些类星体生活在什么样的星系中。这可以帮助我们回答这样的问题:黑洞怎么能长得这么大这么快?“星系的质量与黑洞的质量有关系,就像我们在附近的宇宙中看到的那样吗?”澳大利亚墨尔本大学的首席作者Madeline Marshall说,她在3个维度的全天空天体物理学的ARC中心进行了她的工作。

回答这些问题具有挑战性,原因有很多。特别是,星系距离越远,它的光就会因宇宙的膨胀而被拉伸到更长的波长。因此,来自黑洞吸积盘或星系年轻恒星的紫外线会转移到红外波长。

在最近的研究中[2],天文学家使用了NASA的近红外功能哈勃太空望远镜研究已知的类星体,以期在没有重大探测的情况下发现其宿主星系周围的辉光。这表明星系内的尘埃正在遮蔽恒星的光线。韦伯的红外探测器将能够透过尘埃窥视并发现隐藏的星系。

“霍布尔根本不足以进入红外线以查看主机星系。这是韦伯将真正擅长的,“斯坦华州瑞典州立大学Rogier Windhorst曾在哈布尔研究中的学习。

为了确定韦伯预计会看到什么,研究小组使用了一种称为蓝潮的最先进的计算机模拟,由宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基梅隆大学Tiziana Di Matteo领导的研究小组开发。

“蓝潮”的设计目的是研究宇宙最初10亿年中星系和类星体的形成和演化。它巨大的宇宙体积和高空间分辨率使我们能够在统计基础上研究那些罕见的类星体宿主,”卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的倪悦颖(Yueying Ni)说。蓝潮与目前的观测结果吻合得很好,可以让天文学家预测韦伯会看到什么。

研究小组发现,承载类星体的星系往往比平均值小,跨度仅为星系直径的1/30左右银河系尽管它的质量几乎和我们的星系一样大。”与当时的平均星系相比,寄主星系惊人地小,”马歇尔说。

模拟中的星系也倾向于快速形成恒星,比银河系目前的恒星形成速度快600倍。“我们发现这些系统发展得非常快。他们就像早熟的孩子——什么事都很早就做了,”合著者迪·马特奥解释道。

然后,研究小组利用这些模拟来确定如果天文台研究这些遥远的系统,韦伯的相机会看到什么。他们发现区分主星系和类星体是可能的,尽管由于该星系在天空中的体积很小,仍然具有挑战性。

马歇尔说:“韦伯将首次为观测这些非常遥远的宿主星系提供机会。”。

他们还考虑了韦伯的摄谱仪能从这些系统中收集到什么。光谱研究将入射光分解成不同的颜色或波长,将能够揭示这些系统中尘埃的化学成分。了解它们含有多少重元素可以帮助天文学家了解它们的恒星形成历史,因为大多数化学元素都是在恒星中产生的。

韦伯还可以确定寄主星系是否孤立。哈勃的研究发现,大多数类星体都有可探测到的伴星,但不能确定这些星系是否真的在附近,或者它们是否是偶然叠加的。韦伯的光谱能力将允许天文学家测量这些明显的伴星星系的红移,从而确定它们是否与类星体处于相同的距离。

最终,韦伯的观察应该向这些极端系统提供新的见解。天文学家仍然努力了解黑洞可能会在20亿年内重担十亿次。“这些大黑洞不应该这么早,因为他们没有足够的时间来增长如此巨大,”墨尔本大学的斯图尔特·斯图尔特·斯图尔特·斯图拉特说。

未来的类星体研究也将由多个即将到来的天文台之间的协同作用推动。欧洲航天局的欧几里得任务以及维拉·c·鲁宾地面天文台的红外调查,这是一个国家科学基金会/能源部的设施,目前正在智利阿塔卡马沙漠Cerro Pachón上建设。这两个天文台将显著增加已知的遥远类星体的数量。这些新发现的类星体随后将由哈勃和韦伯进行检查,以获得对宇宙形成年代的新理解。

参考:

  1. “z = 7类星体的宿主星系:来自蓝潮模拟的预测”,Madeline A Marshall, Yueying Ni, Tiziana Di Matteo, J Stuart B wyythe, Stephen Wilkins, Rupert A C Croft和Jussi K Kuusisto, 2020年10月5日,《皇家天文学会月刊》.
    内政部:10.1093/mnras/staa2982
  2. “远红外发光z sime 6类星体主体的静止帧紫外发射限值”,M。A.马歇尔,M。梅奇利,R。A.温德霍斯特,S。H科恩,R。A.詹森,L。江五世。R琼斯,J。sB威斯特1号,X。范。P哈提,K。詹克,W。C龙骨,A。MKoekemoer,V。玛丽安,K。任,J。罗宾逊,H。JA.Röttgering,R。E小瑞安,E。斯坎纳皮科,D。P施耐德,G。施耐德,B。M史密斯和H。Yan,2020年8月27日,天体物理学杂志.
    1538 - 4357 . DOI: 10.3847 / / abaa4c

Bluetides仿真(PI项目:Carnegie Mellon University的Tiziana di Matteo)在蓝色水域运行,由国家科学基金会提供支持。

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首屈一指的空间科学天文台。韦伯将解开太阳系的谜团,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。韦伯是一个国际项目,由美国宇航局及其合作伙伴欧洲航天局和加拿大航天局领导。

7评论“宇宙模拟显示,韦伯望远镜可以揭示隐藏在类星体光芒下的遥远星系”

  1. …既然宇宙是热的,而该区域外是冷的,既然冷是从热中得到的,这会增加宇宙传播的速度吗…

  2. “......自宇宙在那个地区很热的地方很冷,因为寒冷从炎热得分,这会增加升级宇宙的速度......”

    在宇宙背景光谱中观测到的宇宙是~ 3k,这是自热大爆炸以来的膨胀所设定的低背景温度。

    的膨胀速度由宇宙的内部状态,与通货膨胀时代,辐射主导时代的热大爆炸,此事主导时代,现在最近真空(黑暗)能源主导时代每个人都有自己的膨胀率行为(“比例因子(宇宙学)@维基百科)。从同质性和各向同性的涨落被设定为10万分之一,从暴涨量子涨落到早期热大爆炸,就像在宇宙背景光谱中观察到的那样,随着后来宇宙细丝网的引力凝聚,就像在宇宙时间上的蓝潮模拟中看到的那样,这并不是很多数量级的差异。基于这种背景,我不认为宇宙膨胀率会有太多的不均匀性——具体来说,模型并没有考虑那么多。IIRC已经表明,在大多数低z观测集和大多数高z综合(多集数据)观测集之间的哈勃速率中,~ 1%的密度不足的局部空洞不能解释~ 10%的张力。

  3. [“规模因子(宇宙学)@ Wikipedia” - [“规模因子(宇宙学)”@ Wikipedia]。

    此外,如果“宇宙是热的,而该区域之外是冷的”,那么在某种程度上可以理解为宇宙之外是不可能的——宇宙没有外部(因为它是所有存在的,在现代广义相对论模型中隐而显地如此)。

  4. …是的,托比约恩·拉森先生…
    “虚无”正以未知的暗能量和暗物质的未知部分向“虚无”扩散。
    有人可能会认为,宇宙中突然出现的微小能量
    所以让我们停一下。
    宇宙没有什么,它伴随着什么都没有什么,它没有什么都不持续......

  5. 我希望我以前在神学课上更小心一些,不过这个解释更有道理。

  6. “宇宙无中生有,在无中生有的帮助下向无中生有扩散,又被无中生有维系在一起……”

    “无”的概念不是科学,它不能以可测试的方式定义,我们所看到的都是“某物”。在这样一个不真实的基础上,是的,我可以看到迷信而不是可观察到的事实是如何迷惑人的。

    但如果我们继续看事实,我们现在对宇宙学有足够的了解,可以观察到可观测的宇宙是一个更大的宇宙中的一个体积,可以用广义相对论来描述,并且正在经历一个膨胀过程[我提到过这个过程]。一般的相对论宇宙不会“扩散成虚无”,它是膨胀(尺度因子)的自包含描述。否则你可以回到大爆炸前的宇宙学,埃罗诺苏利认为有一个“起源”的“爆炸”。

    此外,在足够大的体积上,空间平均是平坦的,这在广义相对论中转化为平均的零能量密度——来自物质的正能量被来自势能的负能量平衡。

    所以没有“小能量”,而是Zroe Energy总量。但零能量宇宙并不“没有” - 我已经引用了在不同的时代期间占据了哪些内容的内容 - 但其扩张是绝热和自由的,这意味着它是一个自发的过程。我们可以从零能量密度条件中讲解什么是自然的,什么是魔法 - 重新神学说我们无法 - 以及宇宙以及它的行为如何完全自然。不要将零能量混淆,没有内容。

    谈到内容,我不认为宇宙学家会说黑暗能量或暗物质未知 - 他们从观察到的性质(如真空能量统治今天的宇宙扩张和冷暗物质的引力相互作用)中都知道。但他们在所有物业中都不知道 - 足够好以做宇宙学,但不足以在粒子加速器中学习。C.F.在更详细的观察之前,中微子如何花了几十年 - 如果他们在热大爆炸期间对物质/反物质对称打破的问题/反物性对称性,我们仍然不知道。

  7. “zroe能量”——零能量。

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