Det observerbare universet er et ekstremt stort sted, og måler anslagsvis 91 milliarder lysår i diameter. Som et resultat blir astronomer tvunget til å stole på kraftige instrumenter for å se fjerne objekter. Men selv disse er noen ganger begrensede, og må sammenkobles med en teknikk kjent som gravitasjonslinsing. Dette innebærer å stole på en stor fordeling av materien (en galakse eller stjerne) for å forstørre lyset fra en fjern gjenstand.
Ved hjelp av denne teknikken kunne et internasjonalt team ledet av forskere fra California Institute of Technology (Caltech) Owens Valley Radio Observatory (OVRO) observere jetfly med varm gass som spyr fra et supermassivt svart hull i en fjern galakse (kjent som PKS 1413 + 135). Funnet ga hittil den beste utsikten over de typene varm gass som ofte blir oppdaget fra sentrum av supermassive sorte hull (SMBH).
Forskningsresultatene ble beskrevet i to studier som ble publisert i 15. august utgaven av The Astrophysical Journal. Begge ble ledet av Harish Vedantham, en Caltech Millikan postdoktor, og var del av et internasjonalt prosjekt ledet av Anthony Readhead - Robinson-professor i astronomi, emeritus og direktør for OVRO.
Dette OVRO-prosjektet har vært aktivt siden 2008, og har gjennomført observasjoner to ganger i uken av rundt 1800 aktive SMBH-er og deres respektive galakser ved hjelp av det 40-meter teleskopet. Disse observasjonene er blitt utført til støtte for NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope, som har gjennomført lignende studier av disse galaksene og deres SMBH-er i samme periode.
Som teamet antydet i sine to studier, har disse observasjonene gitt ny innsikt i stoffklumpene som med jevne mellomrom blir kastet ut fra supermassive sorte hull, samt åpnet for nye muligheter for gravitasjonslinseforskning. Som Dr. Vedantham antydet i en fersk pressemelding fra Caltech:
"Vi har visst om eksistensen av disse klumpene av materiale som strømmer langs svart hull, og at de beveger seg nær lysets hastighet, men ikke mye er kjent om deres indre struktur eller hvordan de lanseres. Med linsesystemer som denne, kan vi se klumpene nærmere den sentrale motoren i det sorte hullet og i mye mer detalj enn før. ”
Mens alle store galakser antas å ha en SMBH i sentrum av galaksen, har ikke alle jetfly av varm gass ledsaget dem. Tilstedeværelsen av slike jetfly er assosiert med det som er kjent som en Active Galactic Nucleus (AGN), et kompakt område i sentrum av en galakse som er spesielt lys i mange bølgelengder - inkludert radio, mikrobølgeovn, infrarød, optisk, ultrafiolett, Røntgen- og gammastråling.
Disse jetflyene er resultatet av materiale som blir trukket mot en SMBH, hvorav noen ender opp med å bli kastet ut i form av varm gass. Materiale i disse bekkene beveger seg nær lysets hastighet, og bekkene er aktive i perioder fra 1 til 10 millioner år. Mens jetflyene for det meste er relativt konsistente, med noen få år, spytter de ut ytterligere klumper av varmt stoff.
Tilbake i 2010 la OVRO-forskerne merke til at radioutslippene fra PKS 1413 + 135 hadde blitt lysere, bleknet og deretter lysnet igjen i løpet av et år. I 2015 la de merke til den samme oppførselen og gjennomførte en detaljert analyse. Etter å ha utelukket andre mulige forklaringer, konkluderte de med at den generelle lysingen sannsynligvis var forårsaket av at to høye hastighetsklumper av materiale ble kastet ut fra det sorte hullet.
Disse klumpene reiste langs strålen og ble forstørrede da de gikk bak gravitasjonslinsen de brukte til observasjonene sine. Denne oppdagelsen var ganske heldig, og var resultatet av mange års astronomisk studie. Som Timothy Pearson, en senior forsker ved Caltech og en medforfatter på papiret, forklarte:
”Det har tatt observasjoner av et enormt antall galakser for å finne dette ene objektet med de symmetriske fallene i lysstyrke som peker på tilstedeværelsen av en gravitasjonslinse. Vi ser nå hardt på alle våre andre data for å prøve å finne lignende objekter som kan gi et forstørret syn på galaktiske kjerner. ”
Det som også var spennende med det internasjonale teamets observasjoner, var arten av “linsen” de brukte. Tidligere har forskere stolt på massive linser (dvs. hele galakser) eller mikrolinser som besto av enkeltstjerner. Imidlertid stolte teamet ledet av Dr. Vedantham og Dr. Readhead på et det de beskriver som en "milli-linse" på rundt 10.000 solmasser.
Dette kan være den første studien i historien som baserte seg på en mellomstor linse, som de mener er mest sannsynlig en stjerneklynge. En av fordelene med en milli-størrelse linse er at den ikke er stor nok til å sperre hele lyskilden, noe som gjør det lettere å få øye på mindre objekter. Med dette nye linsesystemet for gravitasjon anslås det at astronomer vil kunne observere klumper på skalaer som er omtrent 100 ganger mindre enn før. Som Readhead forklarte:
"Klumpene vi ser er veldig nær det sentrale sorte hullet og er bittesmå - bare noen få lysdager over. Vi tror at disse bittesmå komponentene som beveger seg nær lysets hastighet blir forstørret av en gravitasjonslinse i spiral galaksen i forgrunnen. Dette gir en utsøkt oppløsning på en milliondel av et sekund av lysbuen, noe som tilsvarer å se et saltkorn på månen fra Jorden. ”
Dessuten indikerer forskerne at selve linsen er av vitenskapelig interesse, av den enkle grunn at det ikke er kjent mye om objekter i dette massespekteret. Denne potensielle stjerneklyngen kan derfor fungere som et slags laboratorium, og gi forskere en sjanse til å studere gravitasjonsmilli-linse og samtidig gi et klart syn på atomstrålene som strømmer fra aktive galaktiske kjerner.
Når vi ser fremover, håper teamet å bekrefte resultatene fra studiene ved bruk av en annen teknikk kjent som Very-Long Baseline Interferometry (VLBI). Dette vil innebære at radioteleskoper fra hele verden tar detaljerte bilder av PKS 1413 + 135 og SMBH i sentrum. Gitt hva de så langt har observert, er det sannsynlig at denne SMBH vil spytte ut nok en klump med materie om noen år (innen 2020).
Vedantham, Readhead og deres kolleger planlegger å være klare for dette arrangementet. Å oppdage denne neste klumpen ville ikke bare validere de nyere studiene, den ville også validere milli-linseteknikken de brukte for å utføre observasjonene sine. Som Readhead antydet, "Vi kunne ikke gjøre studier som disse uten et universitetsobservatorium som Owens Valley Radio Observatory, hvor vi har tid til å dedikere et stort teleskop utelukkende til et enkelt program."
Studiene ble muliggjort takket være finansiering gitt av NASA, National Science Foundation (NSF), Smithsonian Institution, Academia Sinica, Academy of Finland og Chilenske Centro de Excelencia en Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA).
