Hvor massiv er Supermassive? Astronomer måler flere sorte huller, Længere væk

I dag, astronomer fra Sloan Digital Sky Survey (SDSS) annoncerede nye målinger af masserne af en stor prøve af supermassive sorte huller langt ud over det lokale univers.

Resultaterne, bliver præsenteret på American Astronomical Society (AAS) møde i National Harbor, Maryland og udgivet i Astrofysisk Journal , repræsenterer et stort skridt fremad i vores evne til at måle supermassive sorte hulmasser i et stort antal fjerne kvasarer og galakser.

"Det er første gang, at vi direkte har målt masser for så mange supermassive sorte huller så langt væk, "siger Catherine Grier, en postdoktor ved Pennsylvania State University og hovedforfatter til dette værk. "Disse nye målinger, og fremtidige målinger som dem, vil give vigtig information til mennesker, der studerer, hvordan galakser vokser og udvikler sig gennem kosmisk tid. "

Supermassive sorte huller (SMBH'er) findes i midten af ​​næsten alle store galakser, herunder dem i universets fjerneste strækninger. Gravitationsattraktionen af ​​disse supermassive sorte huller er så stor, at støv og gas i nærheden i værtsgalaksen uundgåeligt trækkes ind. Det nedfaldende materiale varmes op til så høje temperaturer, at det lyser stærkt nok til at blive set hele vejen over universet. Disse lyse diske med varm gas er kendt som "kvasarer, "og de er klare indikatorer for tilstedeværelsen af ​​supermassive sorte huller. Ved at studere disse kvasarer, vi lærer ikke kun om SMBH'er, men også om de fjerne galakser, de lever i. Men for at gøre alt dette kræver målinger af SMBH'ernes egenskaber, vigtigst af alt deres masser.

Problemet er at måle masserne af SMBH'er er en skræmmende opgave. Astronomer måler SMBH -masser i nærliggende galakser ved at observere grupper af stjerner og gas nær galaksecentret - dog disse teknikker virker ikke for fjernere galakser, fordi de er så langt væk, at teleskoper ikke kan løse deres centre. Direkte SMBH -massemålinger i galakser længere væk foretages ved hjælp af en teknik kaldet "efterklangskortlægning".

Efterklangskortlægning virker ved at sammenligne lysstyrken fra lys, der kommer fra gas meget tæt ind i det sorte hul (kaldet "kontinuum" -lys) med lysstyrken fra lys, der kommer fra gas i hurtig bevægelse længere ude. Ændringer i kontinuumregionen påvirker det ydre område, men lys tager tid at rejse udad, eller "genklang". Denne efterklang betyder, at der er en tidsforsinkelse mellem variationerne, der ses i de to regioner. Ved at måle denne tidsforsinkelse, astronomer kan bestemme, hvor langt ud gassen er fra det sorte hul. Ved at kende denne afstand kan de måle massen af ​​det supermassive sorte hul - selvom de ikke kan se detaljerne i selve det sorte hul.

I løbet af de sidste 20 år har astronomer har brugt efterklangskortlægningsteknikken til møjsommeligt at måle masserne af omkring 60 SMBH'er i nærliggende aktive galakser. Efterklangskortlægning kræver observationer af disse aktive galakser, igen og igen i flere måneder - og så for det meste, målinger foretages kun for en håndfuld aktive galakser ad gangen. Brug af efterklangskortlægningsteknikken på kvasarer, som er længere væk, er endnu vanskeligere, kræver årelange gentagne observationer. På grund af disse observationsvanskeligheder, astronomer havde kun med succes brugt efterklangskortlægning til at måle SMBH -masser for en håndfuld fjernere kvasarer - indtil nu.

I dette nye værk, Griers team har brugt en industriel anvendelse af efterklangskortlægningsteknikken med det mål at måle sorte hulmasser i titusindvis til hundredvis af kvasarer. Nøglen til succes med SDSS Reverberation Mapping -projektet ligger i SDSS's evne til at studere mange kvasarer på én gang - programmet observerer i øjeblikket omkring 850 kvasarer samtidigt. Men selv med SDSS's kraftfulde teleskop, dette er en udfordrende opgave, fordi disse fjerne kvasarer er utroligt svage.

"Du skal kalibrere disse målinger meget omhyggeligt for at sikre, at du virkelig forstår, hvad kvasarsystemet gør, "siger Jon Trump, en adjunkt ved University of Connecticut og medlem af forskerholdet.

Forbedringer i kalibreringerne blev opnået ved også at observere kvasarerne med Canada-France-Hawaii-Telescope (CFHT) og Steward Observatory Bok-teleskopet placeret på Kitt Peak i samme observationssæson. Efter at alle observationer var blevet samlet og kalibreringsprocessen var afsluttet, holdet fandt efterklangstidsforsinkelser for 44 kvasarer. De brugte disse tidsforsinkelsesmålinger til at beregne sorte hulmasser, der spænder fra omkring 5 millioner til 1,7 milliarder gange massen af ​​vores sol.

"Dette er et stort skridt fremad for kvasarvidenskab, "siger Aaron Barth, professor i astronomi ved University of California, Irvine, der ikke var involveret i teamets forskning. "De har vist for første gang, at disse vanskelige målinger kan udføres i masseproduktionstilstand."

Disse nye SDSS-målinger øger det samlede antal aktive galakser med SMBH-massemålinger med cirka to tredjedele, og skubbe målingerne længere tilbage i tiden til, da universet kun var halvdelen af ​​sin nuværende alder. Men holdet stopper ikke der - de fortsætter med at observere disse 850 kvasarer med SDSS, og de ekstra års data vil give dem mulighed for at måle sorte hulmasser i endnu mere fjerne kvasarer, som har længere tidsforsinkelser, der ikke kan måles med et enkelt års data.

"At få observationer af kvasarer over flere år er afgørende for at opnå gode målinger, "siger Yue Shen, en adjunkt ved University of Illinois og hovedundersøger i SDSS Reverberation Mapping -projektet. "Når vi fortsætter vores projekt med at overvåge flere og flere kvasarer i de kommende år, vi vil bedre kunne forstå, hvordan supermassive sorte huller vokser og udvikler sig. "

Fremtiden for SDSS rummer mange flere spændende muligheder for at bruge efterklangskortlægning til at måle masser af supermassive sorte huller i hele universet. Efter at den nuværende fjerde fase af SDSS slutter i 2020, programmets femte fase, SDSS-V, begynder. SDSS-V har et nyt program kaldet Black Hole Mapper, som planlægger at måle SMBH -masser i mere end 1, 000 flere kvasarer, skubber længere ud i universet end noget genklangskortlægningsprojekt nogensinde før.

"Black Hole Mapper vil lade os bevæge os ind i en tid med supermassiv sorte hulklangkort i en sand industriel skala, "siger Niel Brandt, professor i astronomi og astrofysik ved Pennsylvania State University og mangeårigt medlem af SDSS. "Vi vil lære mere om disse mystiske objekter end nogensinde før."