Den här bilden visar en konstnärs framställning av de inre regionerna i en kvasar som drivs av ett supermassivt svart hål i mitten. När skivan med gas och damm faller in i det svarta hålet skapar de höga temperaturerna ljus. Skillnader i detta ljus kan hjälpa astronomer att mäta det svarta hålets massa.
(Bild: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / SDSS-samarbete)
Monster svarta hål gömmer sig i mitten av de flesta galaxer i universum, och nu, en ny teknik hjälper forskare att mäta massan på några av de allra största svarta hålen i universum, även när de ligger i mitten av mycket svaga, avlägsna galaxer. Det nya tillvägagångssättet kan dramatiskt förbättra forskarnas förståelse för hur dessa behemoter formas och utvecklas och hur de påverkar galaxens utveckling.
"Detta är första gången vi direkt mäter massor för så många supermassiva svarta hål så långt borta," säger Catherine Grier, en postdoktor i Penn State, i ett uttalande från Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier ledde ett projekt för att mäta massorna av en mängd så kallade supermassiva svarta hål med SDSS-data. Hon rapporterade resultaten tisdag (9 januari) vid American Astronomical Society-mötet i National Harbor, Maryland.
"Dessa nya mätningar och framtida mätningar som dem kommer att ge viktig information för människor som studerar hur galaxer växer och utvecklas under hela den kosmiska tiden," sade Grier. [Bilder: Black Holes of the Universe]
Massmätande svarta hål
Baserat på decennier av galaktiska observationer teoretiserar astronomer nu att hjärtat i nästan varje stor galax innehåller ett supermassivt svart hål (SMBH). Dessa monströsa djur kan vara miljoner eller miljarder gånger massivare än jordens sol. Svarta hål strålar inte eller reflekterar ljus, så dessa SMBHs kan inte ses direkt. Men när graviteten hos en SMBH drar in damm och gas från den omgivande galaxen skapar den en virvlande skiva av material som faller in i det svarta hålet. Det infallande materialet värms upp och börjar stråla ut ljus, vilket gör det svarta hålet "synligt" (om än indirekt). I vissa fall blir ljuset från dessa skivor ljusare än alla stjärnorna i galaxen; dessa otroligt ljusa galaxer kallas då aktiva galaktiska kärnor (AGN). Den ljusaste AGN kallas kvasarer, som astronomer kan se hela vägen över det synliga universum; de indikerar förekomsten av ett supermassivt svart hål, enligt uttalandet.
Svarta hål har bara tre mätbara egenskaper - massa, snurr och laddning - så att beräkna massan är en enorm del av att förstå ett enskilt svart hål. I närliggande galaxer kan astronomer observera hur grupper av stjärnor och gas rör sig runt det galaktiska centrumet och använder dessa rörelser för att härleda massan i det centrala svarta hålet. Men avlägsna galaxer ligger så långt borta att teleskop inte kan lösa stjärnor och moln med material runt det svarta hålet, enligt uttalandet.
En teknik som kallas efterklangskartläggning har gjort det möjligt för astronomer att mäta massorna på dessa avlägsna svarta hål. Först jämför forskare ljusstyrkan hos den utstrålande gasen i den yttre regionen av galaxen med ljusstyrkan hos gasen som finns i det inre området av galaxen. (Denna inre region, mycket nära det svarta hålet, kallas kontinuumregionen). Gasen i kontinuumområdet påverkar den snabbt rörliga gasen längre ut. Det tar emellertid tid att resa utåt, eller återspegla, vilket orsakar en fördröjning mellan förändringarna i det inre området och deras effekt på det yttre området. Att mäta förseningen visar hur långt bort den yttre gasskivan är från det svarta hålet. Tillsammans med dess rotationsfrekvens runt galaxen gör det möjligt för astronomer att mäta SMBH: s massa, berättade Grier till Space.com i ett e-postmeddelande.
Men processen är smärtsamt långsam. För att observera efterklangseffekten måste en individuell galax studeras om och om igen under flera månader, medan avlägsna kvasarer kan ta flera års upprepade observationer, säger forskare i uttalandet. Under de senaste 20 åren har astronomer lyckats använda efterklangstekniken för endast cirka 60 SMBH i närliggande galaxer och en handfull avlägsna kvasarer.
Som en del av SDSS Reverberation Mapping Project har Grier och hennes kollegor börjat kartlägga SMBH: er snabbare än tidigare möjligt. Nyckeln till denna snabbare kartläggning kommer från projektets dedikerade vidvynsteleskop, som ligger vid Apache Point Observatory i Sunspot, New Mexico, som kan samla in data på flera kvasarer samtidigt, enligt Grier. Det observerar för närvarande en lapp av himlen som innehåller cirka 850 kvasarer.
Forskarna observerade kvasarerna med Kanada-Frankrike-Hawaii-teleskopet på Hawaii och Steward Observatory Bok-teleskopet i Arizona för att kalibrera sina mätningar av de otroligt svaga föremålen. Totalt har forskarna nu uppmätt fördröjningstidsförseningar för 44 kvasarer, och de använde dessa mätningar för att beräkna svarthålsmassor från 5 miljoner till 1,7 miljarder gånger jordens solmassa, enligt uttalandet.
"Detta är ett stort steg framåt för kvasarvetenskap," sade Aaron Barth, professor i astronomi vid University of California, Irvine, som inte var inblandad i teamets forskning, i uttalandet. "De har visat för första gången att dessa svåra mätningar kan göras i massproduktionsläge."
De nya mätningarna ökar det totala antalet galaktiska SMBH-massmätningar med cirka två tredjedelar. Eftersom många av dessa galaxer är mycket långt borta avslöjar de nya mätningarna SMBH-massor från längre tillbaka i tiden, till när universum bara var halva sin nuvarande ålder.
Genom att fortsätta att observera 850 kvasarer med SDSS-teleskopet under flera år kommer teamet att samla år med data som gör att de kan mäta massorna av ännu svagare kvasarer, vars längre tidsförseningar inte kan mätas med ett enda år med data.
"Att få observationer av kvasarer under flera år är avgörande för att få bra mätningar," sade Yue Shen, biträdande professor vid University of Illinois och huvudutredare för SDSS Reverberation Mapping Project. "När vi fortsätter vårt projekt för att övervaka fler och fler kvasarer under kommande år kommer vi att kunna bättre förstå hur supermassiva svarta hål växer och utvecklas."
Efter att den nuvarande fjärde fasen av SDSS avslutas 2020 kommer den femte fasen, SDSS-V, att börja. SDSS-V har ett nytt program som kallas Black Hole Mapper, där forskare planerar att mäta SMBH-massorna i mer än 1 000 kvasarer, observera svagare och äldre kvasarer än något kartläggningsprojekt för efterklang någonsin har lyckats.
"Black Hole Mapper kommer att låta oss gå in i en ålder av supermassiv svart hål efterklaring kartläggning i en verklig industriell skala," sade Niel Brandt, professor i astronomi och astrofysik i Penn State och en länge medlem i SDSS, i uttalandet. "Vi kommer att lära oss mer om dessa mystiska föremål än någonsin tidigare."
