Med hjälp av en ny datormodell har astronomer bestämt att det svarta hålet i M87-galaxens centrum är minst dubbelt så stort som tidigare trott. Med en vägning på 6,4 miljarder gånger solens massa är det det mest massiva svarta hålet som hittills har uppmättts, och denna nya modell antyder att de accepterade svarthålsmassorna i andra stora närliggande galaxer kan vara av med liknande mängder. Detta har konsekvenser för teorier om hur galaxer bildas och växer och kan till och med lösa en långvarig astronomisk paradox.
Astronomer Karl Gebhardt från University of Texas i Austin och Jens Thomas från Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics detaljerade sina resultat på måndag vid American Astronomical Society-konferensen i Pasadena, Kalifornien.
För att försöka förstå hur galaxer bildas och växer, börjar astronomer med grundläggande information om galaxerna idag, till exempel vad de är gjorda av, hur stora de är och hur mycket de väger. Astronomer mäter denna sista kategori, galaxmassan, genom att klocka på hastigheten för stjärnor som kretsar runt galaxen.
Studier av den totala massan är viktiga, sa Thomas, men "den avgörande punkten är att avgöra om massan är i det svarta hålet, stjärnorna eller den mörka gloria. Du måste köra en sofistikerad modell för att kunna upptäcka vilken är vilken. Ju fler komponenter du har, desto mer komplicerad är modellen. ”
För att modellera M87 använde Gebhardt och Thomas en av världens starkaste superdatorer, Lonestar-systemet vid University of Texas i Austins Texas Advanced Computing Center. Lonestar är ett Dell Linux-kluster med 5 840 processorkärnor och kan utföra 62 biljoner flytande punktoperationer per sekund. (Dagens bästa bärbara dator har två kärnor och kan utföra upp till 10 miljarder flytpunkter per sekund.)
Gebhardt och Jens 'modell av M87 var mer komplicerad än tidigare galaxmodeller, eftersom den förutom att modellera dess stjärnor och svarta hål, tar hänsyn till galaxens "mörka halo", en sfärisk region som omger en galax som sträcker sig utöver dess huvudsakliga synlig struktur, som innehåller galaxens mystiska "mörka materie."
"Tidigare har vi alltid betraktat den mörka gloria som betydelsefull, men vi hade inte datorresurserna för att utforska den också," sade Gebhardt. ”Vi kunde bara använda stjärnor och svarta hål förut. Kasta i den mörka gloria, det blir för beräkningsvärt dyrt, du måste gå till superdatorer. ”
Lonestar-resultatet var en massa för M87: s svarta hål flera gånger vad tidigare modeller har hittat. "Vi förväntade oss inte alls," sade Gebhardt. Han och Jens ville helt enkelt testa sin modell på ”den viktigaste galaxen där ute”, sa han.
M87, extremt massiv och bekvämt i närheten (astronomiskt sett), var en av de första galaxerna som föreslogs för att ha ett centralt svart hål för nästan tre decennier sedan. Den har också en aktiv jet som skjuter ut galaxens kärna när materien virvlar närmare det svarta hålet, vilket gör det möjligt för astronomer att studera processen som svarta hål lockar materia. Alla dessa faktorer gör M87 till "ankaret för supermassiva studier i svart hål", sade Gebhardt.
Dessa nya resultat för M87, tillsammans med tips från andra nyligen genomförda studier och hans egna senaste teleskopobservationer (publikationer i förberedelse), får honom att misstänka att alla svarthålsmassor för de mest massiva galaxerna underskattas.
Denna slutsats "är viktig för hur svarta hål förhåller sig till galaxer," sa Thomas. "Om du ändrar det svarta hålets massa, ändrar du hur det svarta hålet förhåller sig till galaxen." Det finns ett tätt samband mellan galaxen och dess svarta hål som gjorde det möjligt för forskare att undersöka fysiken hur galaxer växer under kosmisk tid. Att öka svarthålsmassorna i de mest massiva galaxerna kommer att göra att denna relation utvärderas på nytt.
Högre massor för svarta hål i närliggande galaxer kan också lösa en paradox som rör massorna av kvasarer - aktiva svarta hål i centrum för extremt avlägsna galaxer, sett på en mycket tidigare kosmisk epok. Kvasarer lyser ljust när materialet går i spiral och avger riklig strålning innan man korsar händelseshorisonten (regionen där ingenting - inte ens ljus - kan undkomma).
"Det finns ett långvarigt problem i att kvasarsvartmassorna var mycket stora - 10 miljarder solmassor," sade Gebhardt. ”Men i lokala galaxer såg vi aldrig svarta hål så massiva, inte nära. Tanken var innan att kvasarmassorna var fel, sa han. Men "om vi ökar massan på M87 två eller tre gånger försvinner problemet nästan."
Dagens slutsatser är modellbaserade, men Gebhardt har också gjort nya teleskopobservationer av M87 och andra galaxer med nya kraftfulla instrument på Gemini North Telescope och European Southern Observatory's Very Large Telescope. Han sa att dessa data, som kommer att lämnas in för offentliggörande snart, stöder de nuvarande modellbaserade slutsatserna om svart hålmassa.
För framtida teleskopobservationer av galaktiska mörka halor noterar Gebhardt att ett relativt nytt instrument vid University of Texas vid Austins McDonald Observatory är perfekt. "Om du behöver studera gloria för att få svarthålsmassan, finns det inget bättre instrument än VIRUS-P," sade han. Instrumentet är en spektrograf. Det separerar ljuset från astronomiska objekt i dess komponentvåglängder och skapar en signatur som kan läsas för att ta reda på ett objekts avstånd, hastighet, rörelse, temperatur och mer.
VIRUS-P är bra för haloundersökningar eftersom det kan ta spektra över ett mycket stort himmelområde, vilket gör att astronomer kan nå de mycket låga ljusnivåerna på stora avstånd från galaxcentret där den mörka gloria är dominerande. Det är en prototyp, byggd för att testa teknik som går in i den större VIRUS-spektrografen för det kommande Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment (HETDEX).
Källor: AAS, McDonald Observatory
