Webb Space Telescope-zoektocht naar primordiale zwarte gaten

Webb Ruimtetelescoop Team blijf werken op mij inbedrijfstelling Het is de laatste stap voor de start van wetenschappelijke operaties in de zomer. We zagen onlangs de geweldige foto van Het zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelselgenomen door event horizon telescoop. Een van de mysteries van de moderne astronomie is hoe groot elk is heelal Hij kreeg een gigantische centraliteit zwart gaten hoe sommige van deze zwarte gaten zelfs in de zeer vroege tijden van het heelal verrassend groot zijn. We hebben Roberto Maiolino, een lid van Webb’s Near Infrared Spectrometer (NIRSpec)-team, gevraagd om ons te vertellen hoe Webb kan helpen bij het beantwoorden van enkele van deze vragen.

“Een van de meest opwindende ontdekkingsgebieden die Webb op het punt staat te ontsluiten, is de zoektocht naar oorspronkelijke zwarte gaten in het vroege universum. Dit zijn de zaden van de meest massieve zwarte gaten die astronomen in galactische kernen hebben gevonden. De meeste sterrenstelsels (misschien alle ) bevatten zwarte gaten in hun centra, en hun massa’s variëren van tussen miljoenen tot miljarden keren de massa van onze zon, deze superzware zwarte gaten zijn erg groot geworden door materie om hen heen te verslinden en ook door kleinere zwarte gaten samen te voegen.

“De laatste interessante ontdekking is de ontdekking van superzware zwarte gaten, met massa’s van enkele miljarden zonsmassa’s, die daadwerkelijk bestonden toen het universum slechts ongeveer 700 miljoen jaar oud was, een fractie van zijn huidige leeftijd van 13,8 miljard jaar. Dit is een raadsel op zo’n jonge leeftijd was er volgens de standaardtheorieën niet genoeg tijd voor de ontwikkeling van zulke massieve zwarte gaten. Er zijn enkele scenario’s voorgesteld om dit mysterie op te lossen.

Een mogelijkheid is dat zwarte gaten, veroorzaakt door de dood van de eerste generatie sterren in het vroege heelal, materiaal met uitzonderlijk hoge snelheden hebben opgehoopt. Een ander scenario is dat oergaswolken, die nog niet verrijkt zijn met chemische elementen zwaarder dan helium, direct kunnen instorten om[{” 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