Helt sedan upptäckten av Skytten A * i mitten av vår galax har astronomer förstått att de flesta massiva galaxer har ett Supermassive Black Hole (SMBH) i deras kärna. Dessa bevisas av de kraftfulla elektromagnetiska utsläppen som produceras vid kärnorna i dessa galaxer - som är kända som "Active Galatic Nuclei" (AGN) - som tros orsakas av gas och damm som fästs på SMBH.
I decennier har astronomer studerat ljuset som kommer från AGN för att bestämma hur stora och massiva deras svarta hål är. Detta har varit svårt, eftersom detta ljus är föremål för Doppler-effekten, vilket gör att dess spektrallinjer breddar. Men tack vare en ny modell utvecklad av forskare från Kina och USA kan astronomer kanske studera dessa breda linjeregioner (BLR) och göra mer exakta uppskattningar om massan av svarta hål.
Studien, "Tidligt störde dammiga klumpar som ursprunget till breda utsläppslinjer i aktiva galaktiska kärnor", dykte nyligen upp i den vetenskapliga tidskriften Natur. Studien leddes av Jian-Min Wang, en forskare från Institute of High Energy Physics (IHEP) vid den kinesiska vetenskapsakademin, med hjälp från University of Wyoming och University of Nanjing.
För att bryta ner det är SMBH: er kända för att ha en torus av gas och damm som omger dem. Det svarta hålets tyngdkraft påskyndar gas i denna torus till hastigheter på tusentals kilometer per sekund, vilket gör att det värms upp och avger strålning vid olika våglängder. Denna energi överskred så småningom hela den omgivande galaxen, vilket är det som gör det möjligt för astronomer att bestämma närvaron av en SMBH.
Som Michael Brotherton, en UW-professor vid Institutionen för fysik och astronomi och en medförfattare på studien, förklarade i ett UW-pressmeddelande:
”Folk tänker:” Det är ett svart hål. Varför är det så ljust? ”Ett svart hål är fortfarande mörkt. Skivorna når så höga temperaturer att de strålar ut över det elektromagnetiska spektrumet, som inkluderar gammastrålar, röntgenstrålar, UV, infraröd och radiovågor. Det svarta hålet och omgivande gas som det svarta hålet matar på är bränsle som slår på kvasaren. "
Problemet med att observera dessa ljusa regioner kommer från det faktum att gaserna i dem rör sig så snabbt i olika riktningar. Medan gas som rör sig bort (relativt oss) flyttas mot spektrumets röda ände, flyttas gas som rör sig mot oss mot den blå änden. Det är detta som leder till en bred linje, där spektrumet för det utsända ljuset blir mer som en spiral, vilket gör exakta avläsningar svåra att få.
För närvarande beror mätningen av SMBH: s massa i aktiva galaktiska kärnor "efterklangskartläggningstekniken". Kort sagt innebär detta att man använder datormodeller för att undersöka de symmetriska spektrallinjerna i en BLR och mäta tidsförseningarna mellan dem. Dessa linjer tros komma från gas som har foto-ioniserats av SMBH: s gravitationskraft.
Men eftersom det är liten förståelse för breda utsläppslinjer och de olika komponenterna i BLR: er ger denna metod upphov till vissa osäkerheter på mellan 200 och 300%. "Vi försöker få mer detaljerade frågor om spektrala breda linjeregioner som hjälper oss att diagnostisera svarthålsmassan," sade Brotherton. "Människor vet inte var dessa breda utsläppslinjer kommer ifrån eller naturen på denna gas."
Däremot antog teamet som leddes av Dr. Wang en ny typ av datormodell som beaktade dynamiken i gasstornen som omger en SMBH. Den här torusen, antar de, skulle bestå av diskreta klumpar av materia som skulle tidvis störas av det svarta hålet, vilket skulle resultera i att en del gas flyter in i den (även om man sätter sig på den) och vissa kastas ut som utflöde.
Från detta fann de att emissionslinjerna i en BLR är föremål för tre egenskaper - "asymmetri", "form" och "skift". Efter att ha undersökt olika utsläppslinjer - både symmetriska och asymmetriska - fann de att dessa tre egenskaper var starkt beroende av hur ljusa gasklumparna var, vilket de tolkade som ett resultat av deras rörelsevinkel i torus. Eller som Dr. Brotherton uttryckte det:
”Det vi föreslår händer är att dessa dammiga klumpar rör sig. Vissa stöter på varandra och smälter samman och ändrar hastighet. Kanske flyttar de in i kvasaren, där det svarta hålet bor. Några av klumparna snurrar in från det breda området. Vissa blir sparkade ut. ”
I slutändan antyder deras nya modell att tidvis avbrutna klumpar av material från en svart hål-torus kan representera källan till BLR-gasen. Jämfört med tidigare modeller upprättar den som Dr. Wang och hans kollegor utformat en koppling mellan olika viktiga processer och komponenter i närheten av en SMBH. Dessa inkluderar matning av det svarta hålet, källan till fotojoniserad gas och själva den dammiga torusen.
Även om denna forskning inte löser alla mysterier kring AGN: er, är det ett viktigt steg mot att få exakta massberäkningar av SMBH: er baserade på deras spektrallinjer. Från dessa kunde astronomer kunna mer exakt bestämma vilken roll dessa svarta hål spelade i utvecklingen av stora galaxer.
Studien möjliggjordes tack vare stöd från National Key Program for Science and Technology Research and Development och Key Research Program of Frontier Sciences, som båda administreras av den kinesiska vetenskapsakademin.
