Αυτή η εικόνα δείχνει την απόδοση ενός καλλιτέχνη των εσωτερικών περιοχών ενός κβάζαρ που τροφοδοτείται από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο. Καθώς ο δίσκος αερίου και σκόνης πέφτει στη μαύρη τρύπα, οι υψηλές θερμοκρασίες δημιουργούν φως. Οι διαφορές σε αυτό το φως μπορούν να βοηθήσουν τους αστρονόμους να μετρήσουν τη μάζα της μαύρης τρύπας.
(Εικόνα: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / SDSS συνεργασία)
Οι μαύρες τρύπες τεράτων κρύβονται στα κέντρα των περισσότερων γαλαξιών του σύμπαντος και τώρα, μια νέα τεχνική βοηθά τους επιστήμονες να μετρήσουν τη μάζα μερικών από τις πολύ μεγαλύτερες μαύρες τρύπες στο σύμπαν, ακόμη και όταν βρίσκονται στα κέντρα πολύ εξασθενημένων, απόμακρων γαλαξίες. Η νέα προσέγγιση θα μπορούσε να βελτιώσει δραματικά την κατανόηση των επιστημόνων για το πώς σχηματίζονται και εξελίσσονται αυτά τα μεγαθήθη και πώς επηρεάζουν την εξέλιξη του γαλαξία.
"Είναι η πρώτη φορά που μετρήσαμε άμεσα τις μάζες για τόσες πολλές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μέχρι τώρα", δήλωσε η Catherine Grier, μεταδιδακτορική συνάδελφος στο Penn State, σε δήλωση της Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Ο Grier ηγήθηκε ενός έργου για τη μέτρηση των μαζών ενός πλούτου από τις λεγόμενες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες χρησιμοποιώντας δεδομένα SDSS. Ανέφερε τα αποτελέσματα την Τρίτη (9 Ιανουαρίου) στη συνάντηση της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας στο National Harbour, Maryland.
"Αυτές οι νέες μετρήσεις και οι μελλοντικές μετρήσεις όπως αυτές, θα παρέχουν ζωτικές πληροφορίες για τους ανθρώπους που μελετούν πώς οι γαλαξίες μεγαλώνουν και εξελίσσονται καθ 'όλη τη διάρκεια του κοσμικού χρόνου", δήλωσε ο Grier. [Εικόνες: Μαύρες τρύπες του σύμπαντος]
Μαύρες τρύπες μαζικής μέτρησης
Με βάση δεκαετίες γαλαξιακών παρατηρήσεων, οι αστρονόμοι θεωρούν τώρα ότι η καρδιά σχεδόν κάθε μεγάλου γαλαξία περιέχει μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα (SMBH). Αυτά τα τερατώδη θηρία μπορούν να είναι εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια φορές πιο ογκώδη από τον ήλιο της Γης. Οι μαύρες τρύπες δεν ακτινοβολούν ούτε αντανακλούν το φως, οπότε αυτά τα SMBH δεν είναι άμεσα ορατά Όμως, καθώς η βαρύτητα ενός SMBH αντλεί σκόνη και αέριο από τον περιβάλλοντα γαλαξία, δημιουργεί έναν περιστρεφόμενο δίσκο υλικού που πέφτει στη μαύρη τρύπα. Αυτό το υλικό εισαγωγής θερμαίνεται και αρχίζει να εκπέμπει φως, καθιστώντας τη μαύρη τρύπα «ορατή» (έστω και έμμεσα). Σε ορισμένες περιπτώσεις, το φως από αυτούς τους δίσκους γίνεται πιο φωτεινό από όλα τα αστέρια του γαλαξία. Αυτοί οι απίστευτα λαμπροί γαλαξίες καλούνται ενεργά γαλαξιακοί πυρήνες (AGN). Το πιο φωτεινό AGN ονομάζεται κβάζαρ, τα οποία οι αστρονόμοι μπορούν να δουν μέχρι το ορατό σύμπαν. υποδεικνύουν την παρουσία μιας υπερμεγέθης μαύρης τρύπας, σύμφωνα με τη δήλωση.
Οι μαύρες τρύπες έχουν μόνο τρεις μετρήσιμες ιδιότητες - μάζα, περιστροφή και φόρτιση - έτσι ο υπολογισμός της μάζας είναι ένα τεράστιο μέρος της κατανόησης μιας μεμονωμένης μαύρης τρύπας. Στους κοντινούς γαλαξίες, οι αστρονόμοι μπορούν να παρατηρήσουν πώς οι ομάδες αστεριών και αερίου κινούνται γύρω από το γαλαξιακό κέντρο και χρησιμοποιούν αυτές τις κινήσεις για να εξαγάγουν τη μάζα της κεντρικής μαύρης τρύπας. Αλλά οι μακρινές γαλαξίες βρίσκονται τόσο μακριά που τα τηλεσκόπια δεν μπορούν να επιλύσουν τα αστέρια και τα σύννεφα του υλικού γύρω από τη μαύρη τρύπα, σύμφωνα με τη δήλωση.
Μια τεχνική γνωστή ως χαρτογράφηση αντήχησης έχει επιτρέψει στους αστρονόμους να μετρήσουν τις μάζες αυτών των απομακρυσμένων μαύρων οπών. Πρώτον, οι ερευνητές συγκρίνουν τη φωτεινότητα του εκπεμπόμενου αερίου στην εξωτερική περιοχή του γαλαξία με τη φωτεινότητα του αερίου που βρίσκεται στην εσωτερική περιοχή του γαλαξία. (Αυτή η εσωτερική περιοχή, πολύ κοντά στη μαύρη τρύπα, είναι γνωστή ως περιοχή συνεχούς). Το αέριο στην περιοχή συνεχούς επηρεάζει το ταχέως κινούμενο αέριο πιο μακριά. Ωστόσο, το φως χρειάζεται χρόνο για να ταξιδέψει προς τα έξω ή αντηχεί, προκαλώντας καθυστέρηση μεταξύ των αλλαγών που παρατηρούνται στην εσωτερική περιοχή και της επίδρασής τους στην εξωτερική περιοχή. Η μέτρηση της καθυστέρησης αποκαλύπτει πόσο μακριά βρίσκεται ο εξωτερικός δίσκος αερίου από τη μαύρη τρύπα. Σε συνδυασμό με τον ρυθμό περιστροφής του γύρω από τον γαλαξία, αυτό επιτρέπει στους αστρονόμους να μετρήσουν τη μάζα του SMBH, δήλωσε ο Grier στο Space.com μέσω email.
Αλλά η διαδικασία είναι οδυνηρά αργή. Για να παρατηρηθεί το φαινόμενο αντήχησης, ένας μεμονωμένος γαλαξίας πρέπει να μελετηθεί ξανά και ξανά για αρκετούς μήνες, ενώ τα μακρινά κβάζαρ μπορεί να διαρκέσουν αρκετά χρόνια επαναλαμβανόμενων παρατηρήσεων, ανέφεραν ερευνητές στη δήλωση. Τα τελευταία 20 χρόνια, οι αστρονόμοι κατάφεραν να χρησιμοποιήσουν την τεχνική αντήχησης μόνο για περίπου 60 SMBH σε κοντινούς γαλαξίες και μια χούφτα μακρινών κβάζαρ.
Ως μέρος του SDSS Reverberation Mapping Project, η Grier και οι συνεργάτες της έχουν αρχίσει να χαρτογραφούν SMBHs γρηγορότερα από ό, τι στο παρελθόν ήταν δυνατό. Το κλειδί για αυτήν την ταχύτερη χαρτογράφηση προέρχεται από το ειδικό τηλεσκόπιο ευρείας προβολής του έργου, που βρίσκεται στο Παρατηρητήριο Apache Point στο Sunspot του Νέου Μεξικού, το οποίο μπορεί να συλλέγει δεδομένα για πολλά κβάζαρ ταυτόχρονα, σύμφωνα με τον Grier. Παρακολουθεί επί του παρόντος ένα κομμάτι του ουρανού που περιέχει περίπου 850 κβάζαρ.
Οι ερευνητές παρατήρησαν τα κβάζαρ με το τηλεσκόπιο Καναδά-Γαλλία-Χαβάη στη Χαβάη και το τηλεσκόπιο Stokard Observatory Bok στην Αριζόνα για να βαθμονομήσουν τις μετρήσεις τους για τα απίστευτα εξασθενημένα αντικείμενα. Συνολικά, οι ερευνητές έχουν μετρήσει τώρα τις καθυστερήσεις του χρόνου αντήχησης για 44 κβάζαρ και χρησιμοποίησαν αυτές τις μετρήσεις για να υπολογίσουν τις μάζες των μαύρων οπών που κυμαίνονται από 5 εκατομμύρια έως 1,7 δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου της Γης, σύμφωνα με τη δήλωση.
"Αυτό είναι ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός για την επιστήμη των κβάζαρ", δήλωσε ο Aaron Barth, καθηγητής αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα της ομάδας. "Έδειξαν για πρώτη φορά ότι αυτές οι δύσκολες μετρήσεις μπορούν να γίνουν σε λειτουργία μαζικής παραγωγής."
Οι νέες μετρήσεις αυξάνουν τον συνολικό αριθμό των γαλαξιακών μετρήσεων μάζας SMBH κατά περίπου τα δύο τρίτα. Επειδή πολλοί από αυτούς τους γαλαξίες βρίσκονται πολύ μακριά, οι νέες μετρήσεις αποκαλύπτουν μάζες SMBH από το παρελθόν στο παρελθόν, έως ότου το σύμπαν ήταν μόλις το ήμισυ της τρέχουσας εποχής του.
Συνεχίζοντας να παρατηρεί τα 850 κβάζαρ με το τηλεσκόπιο SDSS για πολλά χρόνια, η ομάδα θα συγκεντρώσει χρόνια δεδομένων που θα τους επιτρέψουν να μετρήσουν τις μάζες ακόμη και πιο αμυδρά κβάζαρ, των οποίων οι μεγαλύτερες καθυστερήσεις χρόνου δεν μπορούν να μετρηθούν με ένα μόνο έτος δεδομένων.
"Η λήψη παρατηρήσεων για τα κβάζαρ για πολλά χρόνια είναι ζωτικής σημασίας για την επίτευξη καλών μετρήσεων", δήλωσε ο Yue Shen, επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις και κύριος ερευνητής του SDSS Reverberation Mapping Project. "Καθώς συνεχίζουμε το έργο μας για την παρακολούθηση όλο και περισσότερων κβάζαρ για τα επόμενα χρόνια, θα είμαστε σε θέση να κατανοήσουμε καλύτερα πώς μεγαλώνουν και εξελίσσονται οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες."
Αφού λήξει η τρέχουσα τέταρτη φάση του SDSS το 2020, θα ξεκινήσει η πέμπτη φάση, το SDSS-V. Το SDSS-V διαθέτει ένα νέο πρόγραμμα που ονομάζεται Black Hole Mapper, στο οποίο οι ερευνητές σκοπεύουν να μετρήσουν τις μάζες SMBH σε περισσότερα από 1.000 κβάζαρ, παρατηρώντας εξασθενημένα και παλαιότερα κβάζαρ από ό, τι οποιοδήποτε έργο χαρτογράφησης αντήχησης έχει ποτέ διαχειριστεί.
"Ο Χαρτογράφος Black Hole θα μας αφήσει να προχωρήσουμε στην εποχή της υπερμεγέθυνσης χαρτογράφησης αντήχησης μαύρης τρύπας σε πραγματική βιομηχανική κλίμακα", ανέφερε στη δήλωση ο Niel Brandt, καθηγητής αστρονομίας και αστροφυσικής στο Penn State και μέλος της SDSS. "Θα μάθουμε περισσότερα για αυτά τα μυστηριώδη αντικείμενα από ποτέ."
