Helt siden oppdagelsen av Skytten A * i sentrum av galaksen vår, har astronomer forstått at de fleste massive galakser har et supermassivt svart hull (SMBH) i kjernen. Dette er dokumentert av de kraftige elektromagnetiske utslippene som produseres ved kjernene i disse galaksenes - som er kjent som “Active Galatic Nuclei” (AGN) - som antas å være forårsaket av gass og støv som fester seg til SMBH.
I flere tiår har astronomer studert lyset som kommer fra AGNs for å bestemme hvor store og massive deres sorte hull er. Dette har vært vanskelig, siden dette lyset er underlagt Doppler-effekten, som får spektrallinjene til å utvide seg. Men takket være en ny modell utviklet av forskere fra Kina og USA, kan astronomer kanskje være i stand til å studere disse brede linjregionene (BLR) og komme med mer nøyaktige estimater om massen av sorte hull.
Studien, “Tidlig forstyrrede støvete klumper som opprinnelsen til brede utslippslinjer i aktive galaktiske kjerner”, dukket nylig opp i det vitenskapelige tidsskriftet Natur. Studien ble ledet av Jian-Min Wang, en forsker fra Institute of High Energy Physics (IHEP) ved det kinesiske vitenskapsakademiet, med assistanse fra University of Wyoming og University of Nanjing.
For å bryte det ned, er SMBH-er kjent for å ha en torus av gass og støv som omgir dem. Det sorte hullets tyngdekraft akselererer gass i denne torusen til hastigheter på tusenvis av kilometer i sekundet, noe som får det til å varme opp og avgi stråling på forskjellige bølgelengder. Denne energien overlistet til slutt hele den omliggende galaksen, som er det som lar astronomer bestemme tilstedeværelsen av en SMBH.
Som Michael Brotherton, en UW-professor ved Institutt for fysikk og astronomi og en medforfatter på studien, forklarte i en UW-pressemelding:
“Folk tenker:‘ Det er et svart hull. Hvorfor er det så lyst? 'Et svart hull er fremdeles mørkt. Skivene når så høye temperaturer at de sender ut stråling over det elektromagnetiske spekteret, som inkluderer gammastråler, røntgenstråler, UV, infrarød og radiobølger. Det sorte hullet og den omkringliggende beskyttende gassen det sorte hullet mater på er drivstoff som slår på kvasaren. ”
Problemet med å observere disse lyse regionene kommer av det faktum at gassene i dem beveger seg så raskt i forskjellige retninger. Mens gass som beveger seg bort (relativt til oss) blir forskjøvet mot den røde enden av spekteret, blir gass som beveger seg mot oss forskjøvet mot den blå enden. Det er dette som fører til et bredt linjeregion, der spekteret av det utsendte lyset blir mer som en spiral, noe som gjør nøyaktige avlesninger vanskelig å få.
For øyeblikket er målingen av massen av SMBHs i aktive galaktiske kjerner avhengig av "etterklangskartleggingsteknikken". Kort sagt, dette innebærer bruk av datamodeller for å undersøke de symmetriske spektrallinjene til en BLR og måle tidsforsinkelsene mellom dem. Disse linjene antas å stamme fra gass som er blitt fotojonisert av SMBHs gravitasjonskraft.
Men siden det er liten forståelse for brede utslippslinjer og de forskjellige komponentene i BLR-er, gir denne metoden noen usikkerheter mellom 200 og 300%. "Vi prøver å få mer detaljerte spørsmål om spektrale bredlinjeregioner som hjelper oss med å diagnostisere sorte hullmassen," sa Brotherton. "Folk vet ikke hvor disse brede utslippslinjene kommer fra, eller arten av denne gassen."
I kontrast til det, teamet ledet av Dr. Wang adopterte en ny type datamodell som vurderte dynamikken til gasstoren som omgir en SMBH. Denne torusen, antar de, ville være sammensatt av diskrete klumper av materie som tidvis ville bli forstyrret av det sorte hullet, noe som ville resultert i at en del gass strømmer inn i den (også krevende på den) og noen blir kastet ut som strømning.
Fra dette fant de at utslippslinjene i en BLR er underlagt tre egenskaper - "asymmetri", "form" og "skift". Etter å ha undersøkt forskjellige utslippslinjer - både symmetriske og asymmetriske - fant de ut at disse tre egenskapene var sterkt avhengig av hvor lyse gassklumpene var, noe de tolket som et resultat av bevegelsesvinkelen i torusen. Eller som Dr. Brotherton sa det:
"Det vi foreslår at disse støvete klumpene beveger seg. Noen banker inn i hverandre og smelter sammen, og endrer hastighet. Kanskje flytter de inn i kvasaren, der det sorte hullet bor. Noen av klumpene snurrer inn fra bredbåndsregionen. Noen blir sparket ut. ”
Til slutt antyder deres nye modell at tidvis forstyrrede klumper av materie fra en svart hulls torus kan representere kilden til BLR-gassen. Sammenlignet med tidligere modeller, etablerer den som er utarbeidet av Dr. Wang og hans kolleger en forbindelse mellom forskjellige viktige prosesser og komponenter i nærheten av en SMBH. Disse inkluderer fôring av det sorte hullet, kilden til fotojonisert gass og selve den støvete torusen.
Selv om denne forskningen ikke løser alle mysteriene rundt AGN-er, er det et viktig skritt mot å oppnå nøyaktige masseestimater av SMBH-er basert på deres spektrale linjer. Fra disse kunne astronomer være i stand til mer nøyaktig å bestemme hvilken rolle disse svarte hullene spilte i utviklingen av store galakser.
Studien ble muliggjort takket være støtte gitt av National Key Program for Science and Technology Research and Development, og Key Research Program of Frontier Sciences, som begge administreres av det kinesiske vitenskapsakademiet.
