En ny måde at måle kosmiske sorte huller på

Supermassive sorte huller er de største sorte huller, med masser, der kan overstige en milliard sole. Netop dette forår, det første billede nogensinde af det supermassive sorte hul i centrum af Messier 87-galaksen blev taget, og forskere så for nylig det største supermassive sorte hul, der nogensinde er set. På trods af disse banebrydende bestræbelser, Det er fortsat en udfordring at finde ud af, hvordan disse sorte huller driver en galakses form og struktur, fordi de fleste af dem er for langt væk til, at de nuværende teleskoper kan løse nøjagtigt.

En undersøgelse offentliggjort i Natur astronomi beskriver en ny måde at "veje" supermassive sorte huller i centrum af galakser ved at bruge afstande mellem nabogalakser som en proxy. Forskningen var et globalt samarbejde, der involverede forskere ved institutioner i Storbritannien, Italien, Tyskland, Chile, og USA, herunder Penn-fakultetet Mariangela Bernardi og Ravi Sheth.

At opnå et nøjagtigt estimat af et supermassive sorte hullers masse sker normalt ved at måle hastigheden af ​​støvet og gassen, der hvirvler rundt om det. Dette kræver ekstremt følsomme teleskoper ved hjælp af en kompleks analyse, og kan kun gøres for sorte huller, der er store nok til at løse og er relativt tæt på Jorden. Imidlertid, hvis denne masse korrelerer med andre egenskaber ved værtsgalaksen, dem, der kan måles, selv når det sorte hul er mindre eller længere væk, man kan bruge disse andre egenskaber som "proxies" for masse.

Imidlertid, forklarer Bernardi, "Vi indså, at der er en skævhed i den nærliggende prøve, der blev brugt til at kalibrere masserne. De objekter, som vi i øjeblikket er i stand til at måle masser for, ser ikke ud til at være typiske. Vores arbejde antydede, at supermassive sorte huller er, gennemsnitlig, ikke så massiv som tidligere antaget."

For at verificere denne forskel i masse, forskerne udtænkte en ny og meget anderledes måde at estimere sorte huls masser på. De brugte det faktum, at mens et sort hul er omgivet af sin værtsgalakse, selve galaksen er omgivet af en endnu større "halo" lavet af mørkt stof. Galakser, der er omgivet af mere massive glorier, er kendt for at klynge sig sammen med andre store, massive galakser. Da mere massive sorte huller findes i mere massive galakser, der har mere massive glorier, klyngestyrken "vejer" faktisk haloerne af det mørke stof og, ved fuldmagt, masserne af de sorte huller i deres centre.

Denne nye måling tyder også på, at supermassive sorte huller er mindre massive end tidligere antaget, og kunne forklare, hvorfor nogle igangværende eksperimenter ikke har givet forventede resultater. Som et eksempel, pulsarer, rester af eksploderede stjerner, skinne som meget hurtigt roterende fyrtårne, der snurrer hundredvis af gange i sekundet. Lys fra pulsarer udsendes på utrolig kort tid, regelmæssige intervaller, mens strålen fejer forbi Jorden igen og igen. Forskere leder i øjeblikket efter tyngdekraftsbølger forårsaget af kollisionen af ​​to supermassive sorte huller, hvilket skulle få disse stråler til at svirre mod og væk fra Jorden, når bølgen suser forbi og påvirke timingen af ​​pulserne.

Fordi de forventede skift endnu ikke er set, siger Sheth, "Folk begyndte at bekymre sig om, at tyngdekraften måske er mærkelig, eller måske forstår vi ikke helt fysikken i de fusioner, der laver tyngdekraftsbølgerne. Men hvis de sande sorte huls masser er mindre end tidligere antaget, så ville de forudsagte tyngdekraftsbølger være svagere, gør skift i pulsar timing sværere at opdage."

I de næste 10 år, nye teleskoper forventes at kunne opnå mere præcise massemålinger for sorte huller og give mulighed for forskerne at teste deres nye metode mod større datasæt. Faciliteter som Extremely Large Telescope, en 39 meter efter planen skal stå færdig i 2025, kan tillade forskere at måle mindre og fjernere sorte huller og deres værtsgalakser direkte.

"Disse resultater har betydelige implikationer for vores forståelse af evolutionen og væksten af ​​supermassive sorte huller, " siger hovedforfatter Francesco Shankar. Bernardi tilføjer, at dette arbejde også vil give forskere mulighed for yderligere at studere sammenhængen mellem supermassiv sort hulsvækst og galaksernes udvikling.