Lige siden opdagelsen af Skytten A * i midten af vores galakse har astronomer forstået, at de fleste massive galakser har et supermassivt sort hul (SMBH) i deres kerne. Disse bevises af de kraftige elektromagnetiske emissioner produceret ved kerne i disse galakser - som er kendt som "Active Galatic Nuclei" (AGN) - der menes at være forårsaget af gas og støv, der sidder på SMBH.
I årtier har astronomer undersøgt lyset fra AGN'er for at bestemme, hvor store og massive deres sorte huller er. Dette har været vanskeligt, da dette lys er underlagt Doppler-effekten, der får dens spektrale linier til at udvides. Men takket være en ny model udviklet af forskere fra Kina og USA, kan astronomer muligvis studere disse bredlinjeregioner (BLR) og foretage mere præcise skøn over massen af sorte huller.
Undersøgelsen, “Tidligt forstyrrede støvede klumper som oprindelsen af brede emissionslinjer i aktive galaktiske kerner”, dukkede for nylig op i det videnskabelige tidsskrift Natur. Undersøgelsen blev ledet af Jian-Min Wang, en forsker fra Institute of High Energy Physics (IHEP) ved det kinesiske videnskabelige akademi med bistand fra University of Wyoming og University of Nanjing.
For at nedbryde det er SMBH'er kendt for at have en torus af gas og støv, der omgiver dem. Det sorte huls tyngdekraft accelererer gas i denne torus til hastigheder på tusinder af kilometer i sekundet, hvilket får det til at varme op og udsende stråling ved forskellige bølgelængder. Denne energi overskred til sidst hele den omkringliggende galakse, hvilket er, hvad der giver astronomer mulighed for at bestemme tilstedeværelsen af en SMBH.
Som Michael Brotherton, en UW-professor i Institut for Fysik og Astronomi og en medforfatter på studiet, forklarede i en UW-pressemeddelelse:
”Folk tænker,” Det er et sort hul. Hvorfor er det så lyst? ”Et sort hul er stadig mørkt. Diskerne når så høje temperaturer, at de udsender stråling over det elektromagnetiske spektrum, som inkluderer gammastråler, røntgenstråler, UV, infrarød og radiobølger. Det sorte hul og den omgivende akkrediterende gas, det sorte hul fodrer på, er brændstof, der tænder for kvasaren. ”
Problemet med at observere disse lyse regioner stammer fra det faktum, at gasserne i dem bevæger sig så hurtigt i forskellige retninger. Mens gas, der bevæger sig væk (i forhold til os) forskydes mod den røde ende af spektret, forskydes gas, der bevæger sig mod os, mod den blå ende. Det er dette, der fører til et bredt linjeregion, hvor spektret af det udsendte lys bliver mere som en spiral, hvilket gør nøjagtige aflæsninger vanskelige at få.
I øjeblikket er måling af massen af SMBH'er i aktive galaktiske kerner afhængig af ”efterklangskortlægningsteknikken”. Kort sagt involverer dette brug af computermodeller til at undersøge de symmetriske spektrallinjer i en BLR og måle tidsforsinkelserne mellem dem. Disse linjer antages at stamme fra gas, der er blevet foto-ioniseret af SMBHs tyngdekraft.
Da der imidlertid er lidt forståelse for brede emissionslinjer og de forskellige komponenter i BLR'er, giver denne metode anledning til nogle usikkerheder på mellem 200 og 300%. ”Vi forsøger at få mere detaljerede spørgsmål om spektrale bredlinjeregioner, der hjælper os med at diagnosticere sorte hulmasser,” sagde Brotherton. ”Folk ved ikke, hvor disse brede emissionslinjer kommer fra, eller arten af denne gas.”
I modsætning hertil vedtog teamet ledet af Dr. Wang en ny type computermodel, der overvejede dynamikken i gasstoren omkring en SMBH. Denne torus antager de, at de ville bestå af diskrete klumper af stof, der tidligt ville blive afbrudt af det sorte hul, hvilket resulterede i, at der strømmer en del gas ind i det (også kaldet at hæve det) og nogle sprøjtes ud som udstrømning.
Fra dette fandt de, at emissionslinjerne i en BLR er underlagt tre karakteristika - "asymmetri", "form" og "skift". Efter at have undersøgt forskellige emissionslinjer - både symmetriske og asymmetriske - fandt de, at disse tre egenskaber var stærkt afhængige af hvor lyse gasklumper var, hvilket de fortolkede som et resultat af deres bevægelsesvinkel inden i torus. Eller som Dr. Brotherton udtrykte det:
”Det, vi foreslår, der sker, er disse støvede klumper bevæger sig. Nogle banker ind i hinanden og smelter sammen og skifter hastighed. Måske flytter de ind i kvasaren, hvor det sorte hul bor. Nogle af klumperne roterer ind fra bredbåndsregionen. Nogle bliver sparket ud. ”
I sidste ende antyder deres nye model, at tidligt forstyrrede klumper af stof fra en sort hul-torus kan repræsentere kilden til BLR-gassen. Sammenlignet med tidligere modeller skaber den, der er udtænkt af Dr. Wang og hans kolleger, en forbindelse mellem forskellige nøgleprocesser og komponenter i nærheden af en SMBH. Disse inkluderer fodring af det sorte hul, kilden til foto-ioniseret gas og selve den støvede torus.
Selvom denne forskning ikke løser alle mysterier omkring AGN'er, er det et vigtigt skridt hen imod opnåelse af nøjagtige masseestimeringer af SMBH'er baseret på deres spektrale linjer. Fra disse kunne astronomer være i stand til mere nøjagtigt at bestemme, hvilken rolle disse sorte huller spillede i udviklingen af store galakser.
Undersøgelsen blev muliggjort tak med støtte fra det nationale nøgelprogram for videnskab og teknologiforskning og -udvikling og Key Research Programme for Frontier Sciences, som begge administreres af det kinesiske videnskabelige akademi.
