Ten obraz pokazuje artystyczne wykonanie wewnętrznych obszarów kwazara zasilanych przez supermasywną czarną dziurę w centrum. Gdy dysk gazu i pyłu wpada do czarnej dziury, wysokie temperatury wytwarzają światło. Różnice w tym świetle mogą pomóc astronomom w pomiarze masy czarnej dziury.
(Zdjęcie: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / SDSS)
Czarne dziury potworów chowają się w centrach większości galaktyk we wszechświecie, a teraz nowa technika pomaga naukowcom zmierzyć masę jednych z największych czarnych dziur we wszechświecie, nawet jeśli leżą w centrach bardzo słabych, odległych galaktyki. Nowe podejście może radykalnie poprawić zrozumienie przez naukowców tego, jak te potwory tworzą się i ewoluują oraz jak wpływają na ewolucję galaktyk.
„Po raz pierwszy bezpośrednio zmierzyliśmy masy tylu supermasywnych czarnych dziur” - powiedziała Catherine Grier, doktor habilitowana w Penn State w oświadczeniu Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier poprowadził projekt pomiaru mas bogactwa tak zwanych supermasywnych czarnych dziur przy użyciu danych SDSS. Opublikowała wyniki we wtorek (9 stycznia) na spotkaniu American Astronomical Society w National Harbor, Maryland.
„Te nowe pomiary i przyszłe pomiary, takie jak one, dostarczą istotnych informacji dla ludzi badających wzrost i ewolucję galaktyk w czasie kosmicznym”, powiedział Grier. [Obrazy: Czarne dziury wszechświata]
Czarne dziury do pomiaru masy
Na podstawie dziesięcioleci obserwacji galaktycznych astronomowie obecnie teoretyzują, że serce prawie każdej dużej galaktyki zawiera supermasywną czarną dziurę (SMBH). Te potworne bestie mogą być miliony lub miliardy razy masywniejsze niż ziemskie słońce. Czarne dziury nie promieniują ani nie odbijają światła, więc tych SMBH nie można zobaczyć bezpośrednio. Ale gdy grawitacja SMBH wciąga pył i gaz z otaczającej galaktyki, tworzy wirujący dysk z materiału, który wpada do czarnej dziury. Ten nieomylny materiał nagrzewa się i zaczyna promieniować światłem, dzięki czemu czarna dziura staje się „widoczna” (choć pośrednio). W niektórych przypadkach światło z tych dysków staje się jaśniejsze niż wszystkie gwiazdy w galaktyce; te niezwykle jasne galaktyki są następnie nazywane aktywnymi jądrami galaktycznymi (AGN). Najjaśniejsze AGN nazywane są kwazarami, które astronomowie mogą zobaczyć przez cały widzialny wszechświat; wskazują na obecność supermasywnej czarnej dziury, zgodnie z tym stwierdzeniem.
Czarne dziury mają tylko trzy mierzalne właściwości - masę, spin i ładunek - dlatego obliczenie masy stanowi ogromną część zrozumienia pojedynczej czarnej dziury. W pobliskich galaktykach astronomowie mogą obserwować, jak grupy gwiazd i gazu poruszają się po centrum galaktyki, i wykorzystują te ruchy, aby wywnioskować masę centralnej czarnej dziury. Ale odległe galaktyki leżą tak daleko, że teleskopy nie są w stanie rozstrzygnąć gwiazd i chmur materiału wokół czarnej dziury, zgodnie z oświadczeniem.
Technika znana jako mapowanie pogłosu pozwoliła astronomom zmierzyć masy tych odległych czarnych dziur. Najpierw naukowcy porównują jasność gazu promieniującego w zewnętrznym obszarze galaktyki z jasnością gazu znajdującego się w wewnętrznym obszarze galaktyki. (Ten wewnętrzny obszar, bardzo blisko czarnej dziury, jest znany jako region kontinuum). Gaz w obszarze kontinuum wpływa na szybko poruszający się gaz dalej. Jednak światło potrzebuje czasu, aby przemieścić się na zewnątrz lub rozbrzmiewać, powodując opóźnienie między zmianami widocznymi w obszarze wewnętrznym a ich wpływem na obszar zewnętrzny. Pomiar opóźnienia pokazuje, jak daleko jest zewnętrzny dysk gazu od czarnej dziury. W połączeniu z szybkością rotacji wokół galaktyki pozwala to astronomom mierzyć masę SMBH, Grier powiedział Space.com w e-mailu.
Ale proces jest boleśnie powolny. Naukowcy stwierdzili w oświadczeniu, że aby zaobserwować efekt pogłosu, pojedyncza galaktyka musi być badana w kółko przez kilka miesięcy, podczas gdy odległe kwazary mogą wymagać kilku lat powtarzanych obserwacji. W ciągu ostatnich 20 lat astronomom udało się zastosować technikę pogłosu tylko dla około 60 SMBH w pobliskich galaktykach i garstce odległych kwazarów.
W ramach projektu odwzorowania pogłosu SDSS Grier i jej koledzy zaczęli mapować SMBH szybciej niż wcześniej było to możliwe. Kluczem do tego szybszego mapowania jest dedykowany teleskop szerokokątny projektu, znajdujący się w Obserwatorium Apache Point w Sunspot w Nowym Meksyku, który według Griera może zbierać dane z wielu kwazarów jednocześnie. Obecnie obserwuje fragment nieba zawierający około 850 kwazarów.
Naukowcy obserwowali kwazary za pomocą Teleskopu Kanada-Francja-Hawaje na Hawajach i Teleskopu Bok Steward Observatory w Arizonie, aby skalibrować swoje pomiary niesamowicie słabych obiektów. W sumie naukowcy zmierzyli teraz opóźnienia czasu pogłosu dla 44 kwazarów i wykorzystali te pomiary do obliczenia mas czarnej dziury w zakresie od 5 milionów do 1,7 miliarda razy masy Słońca Ziemi, zgodnie z oświadczeniem.
„To duży krok naprzód dla nauki kwazara” - powiedział w oświadczeniu Aaron Barth, profesor astronomii z University of California w Irvine, który nie był zaangażowany w badania zespołu. „Po raz pierwszy pokazali, że te trudne pomiary można wykonać w trybie masowej produkcji”.
Nowe pomiary zwiększają całkowitą liczbę galaktycznych pomiarów masy SMBH o około dwie trzecie. Ponieważ wiele z tych galaktyk znajduje się bardzo daleko, nowe pomiary ujawniają masy SMBH z dalszej przeszłości, aż do czasu, gdy wszechświat miał zaledwie połowę swojego obecnego wieku.
Kontynuując obserwację 850 kwazarów za pomocą teleskopu SDSS przez wiele lat, zespół zgromadzi lata danych, które pozwolą im zmierzyć masy nawet słabszych kwazarów, których dłuższych opóźnień czasowych nie można zmierzyć za pomocą jednego roku danych.
„Uzyskanie obserwacji kwazarów przez wiele lat jest kluczowe dla uzyskania dobrych pomiarów” - powiedział Yue Shen, adiunkt na University of Illinois i główny badacz SDSS Reverberation Mapping Project. „Kontynuując nasz projekt monitorowania coraz większej liczby kwazarów w nadchodzących latach, będziemy mogli lepiej zrozumieć, w jaki sposób supermasywne czarne dziury rosną i ewoluują”.
Po zakończeniu obecnej czwartej fazy SDSS w 2020 r. Rozpocznie się piąta faza SDSS-V. SDSS-V zawiera nowy program o nazwie Black Hole Mapper, w którym naukowcy planują mierzyć masy SMBH w ponad 1000 kwazarów, obserwując słabsze i starsze kwazary, niż jakikolwiek projekt mapowania pogłosu kiedykolwiek udało się.
„Maper czarnej dziury pozwoli nam wkroczyć w erę supermasywnego mapowania pogłosu czarnej dziury w prawdziwej skali przemysłowej” - powiedział w oświadczeniu Niel Brandt, profesor astronomii i astrofizyki w Penn State i długoletni członek SDSS. „Dowiemy się więcej o tych tajemniczych obiektach niż kiedykolwiek wcześniej”.
