Dette billede viser en kunstners gengivelse af de indre områder af en kvasar drevet af et supermassivt sort hul i midten. Når skiven med gas og støv falder ned i det sorte hul, skaber de høje temperaturer lys. Forskelle i dette lys kan hjælpe astronomer med at måle det sorte huls masse.
(Billede: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / SDSS-samarbejde)
Monster sorte huller gemmer sig i centre for de fleste galakser i universet, og nu hjælper en ny teknik forskere med at måle massen af nogle af de allerhøjeste sorte huller i universet, selv når de ligger i centrum af meget svage, fjerne galakser. Den nye tilgang kunne dramatisk forbedre forskernes forståelse af, hvordan disse behemoths dannes og udvikles, og hvordan de påvirker galakseudviklingen.
"Dette er første gang, at vi direkte har målt masser for så mange supermassive sorte huller så langt væk," sagde Catherine Grier, en postdoktor i Penn State, i en erklæring fra Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier ledede et projekt til måling af masserne af et væld af såkaldte supermassive sorte huller ved hjælp af SDSS-data. Hun rapporterede resultaterne tirsdag (9. januar) på American Astronomical Society-mødet i National Harbour, Maryland.
"Disse nye målinger og fremtidige målinger som dem vil give vigtig information til folk, der studerer, hvordan galakser vokser og udvikler sig i hele den kosmiske tid," sagde Grier. [Billeder: Black Holes of the Universe]
Massemåling af sorte huller
Baseret på årtier med galaktiske observationer teoretiserer astronomer nu, at hjertet i næsten enhver stor galakse indeholder et supermassivt sort hul (SMBH). Disse uhyrlige dyr kan være millioner eller milliarder gange massivere end Jordens sol. Sorte huller stråler eller reflekterer ikke lys, så disse SMBH'er kan ikke ses direkte. Men når tyngdekraften af en SMBH trækker støv og gas ind i den omkringliggende galakse, skaber den en hvirvlende disk af materiale, der falder ned i det sorte hul. Dette infalling materiale opvarmes og begynder at udstråle lys, hvilket gør det sorte hul "synligt" (om end indirekte). I nogle tilfælde bliver lyset fra disse diske lysere end alle stjernerne i galaksen; disse utroligt lyse galakser kaldes derefter aktive galaktiske kerner (AGN). Den lyseste AGN kaldes kvasarer, som astronomer kan se hele vejen igennem det synlige univers; de angiver tilstedeværelsen af et supermassivt sort hul ifølge erklæringen.
Sorte huller har kun tre målbare egenskaber - masse, spin og ladning - så beregning af massen er en enorm del af forståelsen af et individuelt sort hul. I nærliggende galakser kan astronomer observere, hvordan grupper af stjerner og gas bevæger sig rundt i det galaktiske centrum og bruger disse bevægelser til at udlede massen af det centrale sorte hul. Men fjerne galakser ligger så langt væk, at teleskoper ikke kan løse stjerner og skyer af materiale omkring det sorte hul, ifølge udsagnet.
En teknik kendt som efterklangskortlægning har gjort det muligt for astronomer at måle masserne af disse udvendige sorte huller. Først sammenligner forskere lysstyrken af den udstrålende gas i det ydre område af galaksen med lysstyrken af den gas, der findes i det indre område af galaksen. (Denne indre region, meget tæt på det sorte hul, er kendt som kontinuumregionen). Gassen i kontinuumregionen påvirker den hurtigt bevægende gas længere ude. Imidlertid tager lys tid at rejse udad eller klæbe, hvilket forårsager en forsinkelse mellem ændringerne i det indre område og deres indvirkning på det ydre område. Måling af forsinkelsen afslører, hvor langt den ydre gasskive er fra det sorte hul. Sammen med sin rotationsrate rundt om galaksen tillader dette astronomer at måle SMBHs masse, fortalte Grier til Space.com i en e-mail.
Men processen er smertelig langsom. For at observere efterklangseffekten skal en individuel galakse undersøges igen og igen i flere måneder, mens fjerne kvasarer kan tage flere års gentagne observationer, siger forskere i erklæringen. I løbet af de sidste 20 år har astronomer formået at bruge efterklangsteknikken til kun omkring 60 SMBH'er i nærliggende galakser og en håndfuld fjerne kvasarer.
Som en del af SDSS Reverberation Mapping Project er Grier og hendes kolleger begyndt at kortlægge SMBH'er hurtigere end tidligere muligt. Nøglen til denne hurtigere kortlægning kommer fra projektets dedikerede vidtrækkende teleskop, der ligger på Apache Point-observatoriet i Sunspot, New Mexico, som ifølge Grier kan indsamle data om flere kvasarer på samme tid. Det er i øjeblikket at observere en plaster af himlen, der indeholder omkring 850 kvasarer.
Forskerne observerede kvasarer med Canada-Frankrig-Hawaii-teleskopet på Hawaii og Steward Observatory Bok-teleskopet i Arizona for at kalibrere deres målinger af de utroligt svage objekter. I alt har forskerne nu målt forsinkelser i efterklangstid for 44 kvasarer, og de brugte disse målinger til at beregne sorte hulmasser, der varierede fra 5 millioner til 1,7 milliarder gange massen af Jordens sol, ifølge erklæringen.
"Dette er et stort skridt fremad for quasarvidenskab," sagde Aaron Barth, en professor i astronomi ved University of California, Irvine, som ikke var involveret i holdets forskning, i erklæringen. "De har vist for første gang, at disse vanskelige målinger kan udføres i masseproduktionstilstand."
De nye målinger øger det samlede antal galaktiske SMBH-massemålinger med cirka to tredjedele. Fordi mange af disse galakser er meget langt væk, afslører de nye målinger SMBH-masser fra længere tilbage i tiden, til da universet kun var halvdelen af sin nuværende alder.
Ved at fortsætte med at observere de 850 kvasarer med SDSS-teleskopet over flere år, samler teamet mange års data, der giver dem mulighed for at måle masserne af endnu svagere kvasarer, hvis længere tidsforsinkelser ikke kan måles med et enkelt år med data.
"At få observationer af kvasarer over flere år er afgørende for at opnå gode målinger," sagde Yue Shen, en lektor ved University of Illinois og hovedundersøger for SDSS Reverberation Mapping Project. "Når vi fortsætter vores projekt med at overvåge flere og flere kvasarer i de kommende år, vil vi være i stand til bedre at forstå, hvordan supermassive sorte huller vokser og udvikler sig."
Efter at den nuværende fjerde fase af SDSS slutter i 2020, begynder den femte fase, SDSS-V,. SDSS-V indeholder et nyt program kaldet Black Hole Mapper, hvor forskere planlægger at måle SMBH-masserne i mere end 1.000 kvasarer, idet de observerer svagere og ældre kvasarer end noget kort til efterklangskortlægning nogensinde har formået.
"The Black Hole Mapper vil lade os komme ind i en alder af supermassiv sort hulklangskortlægning i ægte industriel skala," sagde Niel Brandt, professor i astronomi og astrofysik i Penn State og mangeårig medlem af SDSS, i erklæringen. "Vi vil lære mere om disse mystiske genstande end nogensinde før."
