Od odkrycia Strzelca A * w centrum naszej galaktyki astronomowie zrozumieli, że większość masywnych galaktyk ma supermasywną czarną dziurę (SMBH). Dowodem na to są silne emisje elektromagnetyczne wytwarzane w jądrach tych galaktyk - które są znane jako „aktywne jądra galaktyczne” (AGN) - które prawdopodobnie są powodowane przez gaz i pył narastający na SMBH.
Przez dziesięciolecia astronomowie badali światło pochodzące z AGN, aby określić, jak duże i masywne są ich czarne dziury. Było to trudne, ponieważ światło to podlega efektowi Dopplera, co powoduje rozszerzenie jego linii widmowych. Ale dzięki nowemu modelowi opracowanemu przez naukowców z Chin i USA astronomowie mogą być w stanie zbadać te regiony szerokiej linii (BLR) i dokonać dokładniejszych szacunków dotyczących masy czarnych dziur.
Badanie „Zakłócone pływowo grudki pyłu jako źródło szerokich linii emisyjnych w aktywnych jądrach galaktycznych” niedawno ukazało się w czasopiśmie naukowym Natura. Badanie zostało przeprowadzone przez Jian-Min Wanga, badacza z Instytutu Fizyki Wysokich Energii (IHEP) w Chińskiej Akademii Nauk, z pomocą University of Wyoming i University of Nanjing.
Aby to rozbić, SMBH znane są z otaczającego ich torusa gazu i pyłu. Grawitacja czarnej dziury przyspiesza gaz w tym torusie do prędkości tysięcy kilometrów na sekundę, co powoduje jego nagrzewanie się i emitowanie promieniowania o różnych długościach fal. Ta energia ostatecznie prześcignęła całą otaczającą galaktykę, co pozwala astronomom określić obecność SMBH.
Jak wyjaśnił Michael Brotherton, profesor UW na Wydziale Fizyki i Astronomii oraz współautor badań, w komunikacie prasowym UW:
„Ludzie myślą:„ To czarna dziura. Dlaczego jest tak jasno? Czarna dziura jest nadal ciemna. Dyski osiągają tak wysokie temperatury, że emitują promieniowanie w całym spektrum elektromagnetycznym, które obejmuje promieniowanie gamma, promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie UV, podczerwień i fale radiowe. Czarna dziura i otaczający ją gaz akrecyjny, którym zasila się czarna dziura, to paliwo, które włącza kwazar. ”
Problem z obserwowaniem tych jasnych obszarów wynika z faktu, że gazy w nich poruszają się tak szybko w różnych kierunkach. Podczas gdy gaz odsuwający się (względem nas) jest przesuwany w kierunku czerwonego końca widma, gaz, który porusza się w naszym kierunku, jest przesuwany w kierunku niebieskiego końca. To właśnie prowadzi do regionu szerokiej linii, w którym widmo emitowanego światła staje się bardziej jak spirala, co utrudnia uzyskanie dokładnych odczytów.
Obecnie pomiar masy SMBH w aktywnych jądrach galaktycznych opiera się na „technice mapowania pogłosu”. Krótko mówiąc, wymaga to użycia modeli komputerowych do badania symetrycznych linii widmowych BLR i pomiaru opóźnień czasowych między nimi. Uważa się, że linie te powstają z gazu, który został fotojonizowany przez siłę grawitacji SMBH.
Ponieważ jednak słabo rozumie się szerokie linie emisji i różne składniki BLR, metoda ta powoduje pewne niepewności w przedziale od 200 do 300%. „Staramy się uzyskać bardziej szczegółowe pytania na temat spektralnych obszarów szerokopasmowych, które pomagają nam zdiagnozować masę czarnej dziury”, powiedział Brotherton. „Ludzie nie wiedzą, skąd pochodzą te regiony szerokiej linii emisji ani jaki jest charakter tego gazu”.
Natomiast zespół kierowany przez dr Wanga przyjął nowy typ modelu komputerowego, który rozważał dynamikę torusa gazu otaczającego SMBH. Zakładają, że ten torus składałby się z dyskretnych grudek materii, które zostałyby zakłócone pływowo przez czarną dziurę, powodując dopływ gazu do niej (czyli akrecji na nią), a niektóre wyrzucane jako odpływ.
Na tej podstawie odkryli, że linie emisji w BLR podlegają trzem cechom - „asymetrii”, „kształtowi” i „przesunięciu”. Po zbadaniu różnych linii emisji - zarówno symetrycznych, jak i asymetrycznych - odkryli, że te trzy cechy były silnie zależne od jasności skupisk gazu, co interpretowali jako wynik kąta ich ruchu w torusie. Lub, jak to ujął dr Brotherton:
„Proponujemy, aby te zakurzone kępy się poruszały. Niektórzy zderzają się ze sobą, łączą się i zmieniają prędkość. Może przenoszą się do kwazara, gdzie mieszka czarna dziura. Niektóre kępy wirują z regionu szerokopasmowego. Niektórzy zostają wyrzuceni ”.
Ostatecznie ich nowy model sugeruje, że zakłócone pływowo skupiska materii z torusa czarnej dziury mogą stanowić źródło gazu BLR. W porównaniu do poprzednich modeli, ten opracowany przez dr Wanga i jego współpracowników ustanawia połączenie między różnymi kluczowymi procesami i komponentami w pobliżu SMBH. Należą do nich karmienie czarnej dziury, źródło fotoionizowanego gazu i sam zakurzony torus.
Chociaż to badanie nie rozwiązuje wszystkich tajemnic otaczających AGN, jest to ważny krok w kierunku uzyskania dokładnych oszacowań masy SMBH na podstawie ich linii widmowych. Na ich podstawie astronomowie mogliby dokładniej określić rolę tych czarnych dziur w ewolucji dużych galaktyk.
Badanie było możliwe dzięki wsparciu Narodowego Programu Badań i Rozwoju Naukowego i Technologicznego oraz Programu Badań Naukowych Pogranicza, którym zarządza Chińska Akademia Nauk.
