Dette bildet viser en kunstners gjengivelse av de indre områdene i en kvasar drevet av et supermassivt svart hull i sentrum. Når disken med gass og støv faller ned i det sorte hullet, skaper de høye temperaturene lys. Forskjeller i dette lyset kan hjelpe astronomer med å måle det sorte hullets masse.
(Bilde: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / SDSS-samarbeid)
Monstersvarte hull gjemmer seg i sentrumene til de fleste galakser i universet, og nå hjelper en ny teknikk forskere å måle massen til noen av de aller største sorte hullene i universet, selv når de ligger i sentrum av veldig svake, fjerne galakser. Den nye tilnærmingen kan forbedre forskernes forståelse av hvordan disse behemothene dannes og utvikles, og hvordan de påvirker galaksevolusjonen.
"Dette er første gang vi direkte har målt masser for så mange supermassive sorte hull så langt unna," sa Catherine Grier, en postdoktor ved Penn State, i en uttalelse fra Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier ledet et prosjekt for å måle massene til et vell av såkalte supermassive sorte hull ved bruk av SDSS-data. Hun rapporterte resultatene tirsdag (9. januar) på American Astronomical Society-møtet i National Harbor, Maryland.
"Disse nye målingene, og fremtidige målinger som dem, vil gi viktig informasjon for folk som studerer hvordan galakser vokser og utvikler seg gjennom hele den kosmiske tiden," sa Grier. [Bilder: Black Holes of the Universe]
Massemåling av sorte hull
Basert på flere tiår med galaktiske observasjoner, teoretiserer nå astronomer at hjertet i nesten alle store galakser inneholder et supermassivt svart hull (SMBH). Disse uhyrlige dyrene kan være millioner eller milliarder ganger massivere enn Jordens sol. Svarte hull stråler eller reflekterer ikke lys, så disse SMBH-ene kan ikke sees direkte. Men når tyngdekraften til en SMBH henter inn støv og gass fra den omkringliggende galaksen, skaper den en virvlende plate av materiale som faller ned i det sorte hullet. Det infalling materialet varmer opp og begynner å stråle lys, noe som gjør det sorte hullet "synlig" (om enn indirekte). I noen tilfeller blir lyset fra disse platene lysere enn alle stjernene i galaksen; disse utrolig lyse galaksene kalles da aktive galaktiske kjerner (AGN). Den lyseste AGN kalles kvasarer, som astronomer kan se hele veien over det synlige universet; de indikerer tilstedeværelsen av et supermassivt svart hull, ifølge uttalelsen.
Sorte hull har bare tre målbare egenskaper - masse, spinn og ladning - så å beregne massen er en stor del av å forstå et individuelt svart hull. I nærliggende galakser kan astronomer observere hvordan grupper av stjerner og gass beveger seg rundt det galaktiske sentrum og bruke disse bevegelsene for å utlede massen til det sentrale sorte hullet. Men fjerne galakser ligger så langt unna at teleskoper ikke kan løse stjernene og skyene av materiale rundt det sorte hullet, ifølge uttalelsen.
En teknikk kjent som etterklangskartlegging har gjort det mulig for astronomer å måle massene av disse utvendige sorte hullene. Først sammenligner forskere lysstyrken til den utstrålende gassen i det ytre området av galaksen med lysstyrken til gassen som finnes i det indre området av galaksen. (Denne indre regionen, veldig nær det sorte hullet, er kjent som kontinuumregionen). Gassen i kontinuumregionen påvirker den gassen som beveger seg raskt lenger ut. Imidlertid tar lys tid å reise utover, eller gjenklang, noe som forårsaker en forsinkelse mellom endringene som sees i det indre området og deres innvirkning på det ytre området. Måling av forsinkelsen avslører hvor langt den ytre gassskiven er fra det sorte hullet. Sammen med rotasjonsraten rundt galaksen lar astronomer måle SMBHs masse, fortalte Grier til Space.com i en e-post.
Men prosessen er smertelig treg. For å observere etterklangseffekten, må en individuell galakse studeres om og om igjen i flere måneder, mens fjerne kvasarer kan ta flere år med gjentatte observasjoner, sier forskere i uttalelsen. I løpet av de siste 20 årene har astronomer klart å bruke etterklangsteknikken for bare rundt 60 SMBH-er i nærliggende galakser og en håndfull fjerne kvasarer.
Som en del av SDSS Reverberation Mapping Project har Grier og hennes kolleger begynt å kartlegge SMBH-er raskere enn tidligere mulig. Nøkkelen til denne raskere kartleggingen kommer fra prosjektets dedikerte vidsynte teleskop, som ligger ved Apache Point-observatoriet i Sunspot, New Mexico, som ifølge Grier kan samle inn data om flere kvasarer. Den observerer for øyeblikket en himmelplaster som inneholder omtrent 850 kvasarer.
Forskerne observerte kvasarene med Canada-Frankrike-Hawaii-teleskopet på Hawaii og Steward Observatory Bok-teleskopet i Arizona for å kalibrere målingene deres av de utrolig svake objektene. Totalt har forskerne nå målt forsinkelser i etterklangstid for 44 kvasarer, og de brukte disse målingene for å beregne svart hullmasser fra 5 til 1,7 milliarder ganger massen til jordas sol, ifølge uttalelsen.
"Dette er et stort skritt fremover for kvasarvitenskap," sa Aaron Barth, professor i astronomi ved University of California, Irvine, som ikke var involvert i teamets forskning, i uttalelsen. "De har vist for første gang at disse vanskelige målingene kan gjøres i masseproduksjonsmodus."
De nye målingene øker det totale antallet galaktiske SMBH-massemålinger med omtrent to tredjedeler. Fordi mange av disse galaksene er veldig langt unna, avslører de nye målingene SMBH-masser fra lenger tilbake i tid, til da universet bare var halvparten av sin nåværende alder.
Ved å fortsette å observere de 850 kvasarene med SDSS-teleskopet over flere år, vil teamet samle mange år med data som lar dem måle massene til enda svakere kvasarer, hvis lengre tidsforsinkelser ikke kan måles med et eneste år med data.
"Å få observasjoner av kvasarer over flere år er avgjørende for å få gode målinger," sa Yue Shen, en adjunkt ved University of Illinois og hovedetterforsker for SDSS Reverberation Mapping Project. "Når vi fortsetter vårt prosjekt for å overvåke flere og flere kvasarer i årene fremover, vil vi kunne forstå hvordan supermassive sorte hull vokser og utvikler seg."
Etter at den nåværende fjerde fase av SDSS slutter i 2020, begynner den femte fasen, SDSS-V,. SDSS-V har et nytt program kalt Black Hole Mapper, der forskere planlegger å måle SMBH-massene i mer enn 1000 kvasarer, og observere svakere og eldre kvasarer enn noe kartleggingsprosjekt for etterklang noen gang har klart.
Niel Brandt, professor i astronomi og astrofysikk i Penn State og mangeårig medlem av SDSS, sa i uttalelsen - "The Black Hole Mapper vil la oss gå inn i en alder av supermassiv svart hull-kartlegging i virkelig industriell skala. "Vi vil lære mer om disse mystiske gjenstandene enn noen gang før."
