На цьому зображенні зображено художником візуалізацію внутрішніх областей квазара, що працює від надмасивної чорної діри в центрі. Коли диск газу і пилу потрапляє в чорну діру, високі температури створюють світло. Відмінності в цьому світлі можуть допомогти астрономам виміряти масу чорної діри.
(Зображення: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (штат Пенн) / співпраця SDSS)
Чорні діри-монстри ховаються в центрах більшості галактик у Всесвіті, і тепер нова методика допомагає вченим виміряти масу деяких найбільш великих чорних дір у Всесвіті, навіть коли вони лежать у центрах дуже слабких, далеких галактики. Новий підхід може суттєво поліпшити розуміння вченими того, як ці бегемоти формуються та розвиваються, і як вони впливають на еволюцію галактики.
"Це перший раз, коли ми безпосередньо виміряли маси за стільки надмасивних чорних дір настільки далеко", - сказала Кетрін Грієр, докторантура штату Пенн Стейт, у заяві Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier керував проектом вимірювання маси багатства так званих надмасивних чорних дір, використовуючи дані SDSS. Вона повідомила про результати у вівторок (9 січня) на засіданні Американського астрономічного товариства в Національній гавані, штат Меріленд.
"Ці нові вимірювання, а також майбутні вимірювання, як вони, надаватимуть життєво важливу інформацію людям, які вивчають, як галактики ростуть і розвиваються протягом усього космічного часу", - сказав Гріє. [Зображення: Чорні діри Всесвіту]
Масомірні чорні діри
Спираючись на десятиліття галактичних спостережень, астрономи тепер теоретизують, що серце майже кожної великої галактики містить надмасивну чорну діру (SMBH). Ці жахливі звірі можуть бути в мільйони чи мільярди разів масивнішими, ніж Земля. Чорні діри не випромінюють і не відбивають світло, тому цих SMBH не можна побачити безпосередньо. Але як сила тяжіння СМБЧ притягує пил і газ з навколишньої галактики, він створює закручений диск з матеріалу, який потрапляє в чорну діру. Цей падаючий матеріал нагрівається і починає випромінювати світло, роблячи чорну діру «видимою» (хоча і опосередковано). У деяких випадках світло від цих дисків стає яскравішим, ніж усі зірки в галактиці; ці неймовірно яскраві галактики тоді називають активними галактичними ядрами (AGN). Найяскравішими AGN називають квазари, яких астрономи можуть бачити всюди через видимий Всесвіт; вони свідчать про наявність надмасивної чорної діри, згідно з заявою.
Чорні діри мають лише три вимірювані властивості - масу, віджимання та заряд - тому обчислення маси є величезною частиною розуміння окремої чорної діри. У сусідніх галактиках астрономи можуть спостерігати, як групи зірок і газу рухаються навколо центру галактики і використовують ці рухи для виведення маси центральної чорної діри. Але далекі галактики лежать настільки далеко, що телескопи не можуть вирішити зірки та хмари матеріалу навколо чорної діри, йдеться у повідомленні.
Метод, відомий як ревербераційне картографування, дав можливість астрономам виміряти маси цих зовнішніх чорних дір. По-перше, дослідники порівнюють яскравість випромінюючого газу у зовнішній області галактики з яскравістю газу, виявленого у внутрішній області галактики. (Ця внутрішня область, дуже близька до чорної діри, відома як область континууму). Газ в області континууму впливає на газ, що швидко рухається, далі. Однак світло потребує часу, щоб подорожувати назовні або віддзеркалюватися, викликаючи затримку між змінами, поміченими у внутрішній області, та їх впливом на зовнішню область. Вимірювання затримки показує, наскільки далеко зовнішній диск газу знаходиться від чорної діри. У поєднанні зі швидкістю обертання навколо галактики це дозволяє астрономам вимірювати масу SMBH, повідомив Грієр для Space.com в електронному листі.
Але процес болісно повільний. Щоб спостерігати ефект реверберації, окрему галактику потрібно вивчати знову і знову протягом декількох місяців, тоді як віддалені квазари можуть зайняти кілька років повторних спостережень, зазначають дослідники в заяві. За останні 20 років астрономам вдалося використати техніку реверберації лише для близько 60 СМБК в сусідніх галактиках та жменьці далеких квазарів.
У рамках проекту картографування реверберації SDSS, Grier та її колеги розпочали картування SMBH швидше, ніж це можливо раніше. Ключ до цього більш швидкого картографування походить від спеціалізованого телескопа широкого огляду проекту, розташованого в обсерваторії Apache Point у Сунспоті, Нью-Мексико, який може збирати дані про декілька квазарів одночасно, повідомляє Grier. В даний час спостерігається ділянка неба, яка містить близько 850 квазарів.
Дослідники спостерігали за квазарами з телеканалом Канада-Франція-Гаваї-Телескоп на Гаваях та телескопом обсерваторії "Стюард Бок" в Арізоні для калібрування їх вимірювань неймовірно слабких об'єктів. Загалом, дослідники тепер виміряли затримки часу реверберації протягом 44 квазарів, і вони використали ці вимірювання для обчислення маси чорних дір, що варіюється від 5 мільйонів до 1,7 мільярдів разів більше маси Земного сонця, йдеться у повідомленні.
"Це великий крок вперед для квазарської науки", - йдеться в повідомленні Аарона Барта, професора астрономії Каліфорнійського університету Ірвіна, який не брав участі в дослідженнях команди. "Вони вперше показали, що ці складні вимірювання можна проводити в режимі масового виробництва".
Нові вимірювання збільшують загальну кількість масових вимірювань галактичних SMBH приблизно на дві третини. Оскільки багато з цих галактик знаходяться дуже далеко, нові вимірювання виявляють маси СМБХ від далекого часу, до того, коли Всесвіт становила лише половину свого поточного віку.
Продовжуючи спостерігати за 850 квазарами за допомогою телескопа SDSS протягом декількох років, команда накопичуватиме дані років, які дозволять їм вимірювати маси ще більш слабких квазарів, більш тривалі затримки в часі яких неможливо виміряти за один рік даних.
"Отримати спостереження за квазарами протягом декількох років має вирішальне значення для отримання хороших вимірів", - сказав Юе Шен, доцент університету Іллінойсу та головний дослідник проекту ревізії SDSS. "Коли ми продовжуватимемо проект з моніторингу дедалі більше квазарів протягом наступних років, ми зможемо краще зрозуміти, як ростуть та розвиваються надмасивні чорні діри".
Після того, як нинішня четверта фаза SDSS закінчиться у 2020 році, розпочнеться п'ята фаза, SDSS-V. SDSS-V пропонує нову програму під назвою "Чорна діра", в якій дослідники планують виміряти маси SMBH у більш ніж 1000 квазарах, спостерігаючи більш слабкі та старі квазари, ніж будь-який проект реверберації.
"Mapper Black Hole дозволить нам перейти у епоху надмасивного відображення чорної діри у справжньому промисловому масштабі", - йдеться у повідомленні Ніл Брандт, професора астрономії та астрофізики штату Пенн та багаторічного члена SDSS. "Ми дізнаємось більше про ці таємничі об'єкти, ніж будь-коли раніше".
