Det observerbara universum är en extremt stor plats och mäter uppskattningsvis 91 miljarder ljusår i diameter. Som ett resultat tvingas astronomer att lita på kraftfulla instrument för att se avlägsna föremål. Men även dessa är ibland begränsade och måste paras med en teknik som kallas gravitationslinser. Detta innebär att man förlitar sig på en stor fördelning av materien (en galax eller en stjärna) för att förstora ljuset som kommer från ett avlägset objekt.
Med hjälp av denna teknik kunde ett internationellt team ledat av forskare från California Institute of Technology (Caltech) Owens Valley Radio Observatory (OVRO) observera strålar med varm gas som spyr från ett supermassivt svart hål i en avlägsen galax (känd som PKS 1413 + 135). Upptäckten gav hittills den bästa utsikten över de typer av varm gas som ofta upptäcks kommer från centra för supermassiva svarta hål (SMBH).
Forskningsresultaten beskrivs i två studier som publicerades i den 15 augusti utgåvan av The Astrophysical Journal. Båda leddes av Harish Vedantham, en Caltech Millikan postdoktor, och var en del av ett internationellt projekt som leddes av Anthony Readhead - Robinson professor i astronomi, emeritus och chef för OVRO.
Detta OVRO-projekt har varit aktivt sedan 2008 och genomfört två gånger i veckan observationer av cirka 1 800 aktiva SMBH och deras respektive galaxer med sitt 40-meters teleskop. Dessa observationer har gjorts till stöd för NASA: s Fermi Gamma-ray Space Telescope, som har genomfört liknande studier av dessa galaxer och deras SMBH under samma period.
Som teamet indikerade i sina två studier har dessa observationer gett ny inblick i materiens klumpar som periodiskt matas ut från supermassiva svarta hål, samt öppnar nya möjligheter för gravitationsobjektivforskning. Som Dr. Vedantham antydde i ett nyligen pressmeddelande från Caltech:
”Vi har känt till förekomsten av dessa klumpar av material som strömmar längs svarthålstrålar och att de rör sig nära ljusets hastighet, men inte mycket är känt om deras inre struktur eller hur de lanseras. Med linssystem som denna kan vi se klumparna närmare den centrala motorn i det svarta hålet och i mycket mer detalj än tidigare. ”
Medan alla stora galaxer tros ha en SMBH i mitten av deras galax, har inte alla jets med varm gas som följer med dem. Närvaron av sådana strålar är förknippade med det som kallas Active Galactic Nucleus (AGN), en kompakt region i mitten av en galax som är särskilt ljus i många våglängder - inklusive radio, mikrovågsugn, infraröd, optisk, ultraviolett, Röntgen- och gammastrålning.
Dessa strålar är resultatet av material som dras mot en SMBH, varav en del hamnar ut i form av varm gas. Material i dessa strömmar rör sig nära ljusets hastighet och strömmarna är aktiva under perioder från 1 till 10 miljoner år. Medan de flesta av tiden är strålarna relativt konsekventa, med några få år, spottar de ut ytterligare klumpar av hett material.
Redan 2010 märkte OVRO-forskarna att PKS 1413 + 135: s radioutsläpp hade ljusnat, bleknat och sedan ljusnat igen under ett år. 2015 märkte de samma beteende och genomförde en detaljerad analys. Efter att ha uteslutit andra möjliga förklaringar drog de slutsatsen att den övergripande ljusningen sannolikt orsakades av att två höghastighetsklumpar matades ut från det svarta hålet.
Dessa klumpar reste längs strålen och blev förstorade när de passerade bakom gravitationslinsen de använde för sina observationer. Upptäckten var ganska lyckosam och var resultatet av många års astronomiska studier. Som Timothy Pearson, en senior forskare på Caltech och en medförfattare på tidningen, förklarade:
”Det har tagits observationer av ett stort antal galaxer för att hitta detta objekt med de symmetriska dopparna i ljusstyrka som pekar på närvaron av en gravitationslins. Vi ser nu hårt på alla våra andra data för att försöka hitta liknande objekt som kan ge en förstorad bild av galaktiska kärnor. ”
Det som också var spännande med det internationella teamets observationer var "linsen" de använde. Tidigare har forskare förlitat sig på massiva linser (dvs hela galaxer) eller mikrolinser som bestod av enstaka stjärnor. Teamet som leddes av Dr. Vedantham och Dr. Readhead förlitade sig emellertid på det de beskriver som en "milli-lins" på cirka 10 000 solmassor.
Detta kan vara den första studien i historien som förlitade sig på en mellanstor lins, som de tror är troligtvis ett stjärnkluster. En av fördelarna med en milli-storlek lins är att den inte är tillräckligt stor för att blockera hela ljuskällan, vilket gör det lättare att upptäcka mindre objekt. Med detta nya gravitationslinssystem är det uppskattat att astronomer kommer att kunna observera klumpar på våg som är cirka 100 gånger mindre än tidigare. Som Readhead förklarade:
"De klumpar vi ser är mycket nära det centrala svarta hålet och är små - bara några ljusdagar över. Vi tror att dessa små komponenter som rör sig nära ljusets hastighet förstoras av en gravitationslins i spiralgalaxen i förgrunden. Detta ger en utsökt upplösning av en miljon av en bågsekund, vilket motsvarar att man ser ett korn av salt på månen från jorden. ”
Dessutom indikerar forskarna att själva linsen är av vetenskapligt intresse, av det enkla skälet att det inte är mycket känt om föremål i detta massområde. Detta potentiella stjärnkluster kan därför fungera som ett slags laboratorium och ge forskare en chans att studera gravitationell milli-linsning och samtidigt ge en tydlig bild av kärnkraftsstrålarna från aktiva galaktiska kärnor.
Framöver hoppas teamet att bekräfta resultaten från sina studier med hjälp av en annan teknik som kallas Very-Long Baseline Interferometry (VLBI). Detta kommer att involvera radioteleskop från hela världen som tar detaljerade bilder av PKS 1413 + 135 och SMBH i centrum. Med tanke på vad de hittills har observerat är det troligt att denna SMBH kommer att spottas ut ytterligare en klump av materia om några år (fram till 2020).
Vedantham, Readhead och deras kollegor planerar att vara redo för detta evenemang. Om man spottar denna nästa klump skulle det inte bara validera sina senaste studier, det validerade också millilins-tekniken som de använde för att utföra sina observationer. Som Readhead antydde: "Vi kunde inte göra studier som dessa utan ett universitetsobservatorium som Owens Valley Radio Observatory, där vi har tid att avsätta ett stort teleskop uteslutande till ett enda program."
Studierna möjliggjordes tack vare finansiering från NASA, National Science Foundation (NSF), Smithsonian Institution, Academia Sinica, Finlands Akademi och Chilenska Centro de Excelencia en Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA).
