Това изображение показва изобразяването на художник от вътрешните области на квазар, захранван от супермасивна черна дупка в центъра. Докато дискът на газ и прах попада в черната дупка, високите температури създават светлина. Разликите в тази светлина могат да помогнат на астрономите да измерват масата на черната дупка.
(Изображение: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / SDSS сътрудничество)
Чудовищни черни дупки се крият в центровете на повечето галактики във Вселената и сега, нова техника помага на учените да измерват масата на някои от най-големите черни дупки във Вселената, дори когато те лежат в центровете на много слаби, далечни галактики. Новият подход би могъл драстично да подобри разбирането на учените за това как се формират и развиват тези бехемоти и как те влияят върху еволюцията на галактиката.
„Това е първият път, когато направо измерваме маси за толкова много свръхмасивни черни дупки досега“, казва Катрин Гриер, докторантура от Penn State, в изявление от Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier ръководи проект за измерване на масите на богатство от така наречените супермасивни черни дупки, използвайки SDSS данни. Тя отчете резултатите във вторник (9 януари) на срещата на Американското астрономическо общество в Националното пристанище, Мериленд.
„Тези нови измервания и бъдещи измервания като тях ще предоставят жизненоважна информация на хората, изучаващи как галактиките растат и се развиват през космическото време“, каза Гриер. [Изображения: Черни дупки на Вселената]
Масово измерване на черни дупки
Въз основа на десетилетия на галактически наблюдения, астрономите сега теоретизират, че сърцето на почти всяка голяма галактика съдържа свръхмасивна черна дупка (SMBH). Тези чудовищни зверове могат да бъдат милиони или милиарди пъти по-масивни от земното слънце. Черните дупки не излъчват или отразяват светлина, така че тези SMBH не могат да се видят директно. Но тъй като гравитацията на SMBH черпи прах и газ от заобикалящата галактика, тя създава въртящ се диск от материал, който попада в черната дупка. Този падащ материал се нагрява и започва да излъчва светлина, като прави черната дупка „видима“ (макар и косвено). В някои случаи светлината от тези дискове става по-ярка от всички звезди в галактиката; тези невероятно ярки галактики се наричат активни галактични ядра (AGN). Най-ярките AGN се наричат квазари, които астрономите могат да видят през цялата видима вселена; те показват наличието на супермасивна черна дупка, според изявлението.
Черните дупки имат само три измерими свойства - маса, въртене и зареждане - така че изчисляването на масата е огромна част от разбирането на отделна черна дупка. В близките галактики астрономите могат да наблюдават как групи звезди и газ се движат около галактическия център и използват тези движения, за да изведат масата на централната черна дупка. Но далечните галактики се намират толкова далеч, че телескопите не могат да разрешат звездите и облаците от материал около черната дупка, според изявлението.
Техника, известна като реверберационно картографиране, даде възможност на астрономите да измерват масите на тези крайни черни дупки. Първо, изследователите сравняват яркостта на излъчващия газ във външната област на галактиката с яркостта на газа, намиращ се във вътрешната област на галактиката. (Този вътрешен регион, много близо до черната дупка, е известен като регион на континуума). Газът в континуумния регион влияе на бързо движещия се газ по-далеч. Обаче светлината отнема време, за да се измине навън или да се обърне, което води до забавяне между промените, наблюдавани във вътрешния участък, и ефекта им върху външния участък. Измерването на забавянето разкрива колко далеч е външният газов диск от черната дупка. В съчетание със скоростта на въртене около галактиката, това позволява на астрономите да измерват масата на SMBH, каза Grier пред Space.com в имейл.
Но процесът е болезнено бавен. За да се наблюдава ефектът на реверберация, отделна галактика трябва да се изучава отново и отново в продължение на няколко месеца, докато далечните квазари могат да отнемат няколко години многократни наблюдения, посочват изследователите в изявлението. През последните 20 години астрономите успяха да използват техниката на реверберация само за около 60 SMBH в близките галактики и шепа далечни квазари.
Като част от проекта за картографиране на реверберация на SDSS, Grier и нейните колеги започнаха да картографират SMBH по-бързо, отколкото беше възможно преди. Ключът към това по-бързо картографиране идва от специализирания телескоп с широко виждане на проекта, разположен в обсерваторията Apache Point в Сънспот, Ню Мексико, който може да събира данни за множество квазари едновременно, според Grier. В момента той наблюдава пластир на небето, който съдържа около 850 квазара.
Изследователите наблюдавали квазарите с Канада-Франция-Хаваи-Телескоп на Хаваите и Телескопа Скуард Обсерватория Бок в Аризона, за да калибрират своите измервания на невероятно слабите обекти. Общо сега изследователите са измерили закъсненията във времето на реверберация за 44 квазара и те са използвали тези измервания, за да изчислят масите на черната дупка, вариращи от 5 милиона до 1,7 милиарда пъти по-големи от масата на земното слънце, според изявлението.
"Това е голяма стъпка напред за квазарната наука", казва в изявлението Арън Барт, професор по астрономия в Калифорнийския университет, Ървайн, който не е участвал в изследванията на екипа. "Те показаха за първи път, че тези трудни измервания могат да се правят в режим на масово производство."
Новите измервания увеличават общия брой галактически измервания на SMBH с около две трети. Тъй като много от тези галактики са много далеч, новите измервания разкриват SMBH маси от по-далеч назад във времето, до когато Вселената е била само половината от сегашната си епоха.
Продължавайки да наблюдава 850 квазара с телескопа SDSS в продължение на няколко години, екипът ще натрупа години данни, които ще им позволят да измерват масите на дори по-бедни квазари, чиито по-дълги времеви закъснения не могат да бъдат измерени с една година данни.
„Получаването на наблюдения на квазарите за няколко години е от решаващо значение за получаване на добри измервания“, казва Юе Шен, асистент в Университета на Илинойс и главен изследовател на проекта за картографиране на реверберация SDSS. "Докато продължаваме нашия проект за наблюдение на все повече и повече квазари за години напред, ще можем да разберем по-добре как растат и се развиват свръхмасивни черни дупки."
След като настоящата четвърта фаза на SDSS приключи през 2020 г., ще започне петата фаза, SDSS-V. SDSS-V разполага с нова програма, наречена Черна дупка Mapper, в която изследователите планират да измерват масите на SMBH в повече от 1000 квазара, наблюдавайки по-бедни и по-стари квазари, отколкото всеки проект за картографиране на реверберация.
"Картата на Черната дупка ще ни позволи да преминем в епохата на свръхмасивна реверберация на черни дупки в истински индустриален мащаб", казва в изявлението Нийл Бранд, професор по астрономия и астрофизика в Penn State и дългогодишен член на SDSS. "Ще научим повече за тези мистериозни предмети от всякога."
