Ekkokortlægning i fjerne galakser kunne måle enorme kosmiske afstande

Når du ser op på nattehimlen, hvordan ved du, om lyspletterne, du ser, er lyse og langt væk, eller relativt svag og tæt på? En måde at finde ud af det på er at sammenligne hvor meget lys objektet faktisk udsender med hvor lyst det ser ud. Forskellen mellem dens sande lysstyrke og dens tilsyneladende lysstyrke afslører et objekts afstand fra iagttageren.

At måle lysstyrken af ​​et himmelobjekt er udfordrende, især med sorte huller, som ikke udsender lys. Men de supermassive sorte huller, der ligger i centrum af de fleste galakser, giver et smuthul:De trækker ofte masser af stof omkring sig, danner varme diske, der kan stråle klart. Måling af lysstyrken af ​​en lys disk ville gøre det muligt for astronomer at måle afstanden til det sorte hul og den galakse, det lever i. Afstandsmålinger hjælper ikke kun videnskabsmænd med at skabe en bedre, tredimensionelt kort over universet, de kan også give information om, hvordan og hvornår genstande er dannet.

I en ny undersøgelse, astronomer brugte en teknik, som nogle har kaldt "ekkokortlægning" til at måle lysstyrken af ​​sorte hulsskiver i over 500 galakser. Udgivet i sidste måned i Astrofysisk tidsskrift , undersøgelsen tilføjer støtte til ideen om, at denne tilgang kunne bruges til at måle afstandene mellem Jorden og disse fjerne galakser.

Processen med ekkokortlægning, også kendt som rumklangsmapping, starter, når disken af ​​varmt plasma (atomer, der har mistet deres elektroner) tæt på det sorte hul bliver lysere, nogle gange endda frigivelse af korte lysudbrud af synligt lys (hvilket betyder bølgelængder, der kan ses af det menneskelige øje). Dette lys bevæger sig væk fra disken og løber til sidst ind i et fælles træk ved de fleste supermassive sorte hul-systemer:en enorm sky af støv i form af en doughnut (også kendt som en torus). Sammen, skiven og torusen danner en slags bullseye, med tilvækstskiven viklet tæt omkring det sorte hul, efterfulgt af på hinanden følgende ringe af lidt køligere plasma og gas, og til sidst støvtorussen, som udgør den bredeste, yderste ring i bullseye. Når lysglimt fra tilvækstskiven når den indvendige væg af den støvede torus, lyset bliver absorberet, hvilket får støvet til at varme op og frigive infrarødt lys. Denne oplysning af torus er en direkte reaktion på eller, man kan sige et "ekko" af de ændringer, der sker på disken.

Afstanden fra tilvækstskiven til indersiden af ​​dust torus kan være stor - milliarder eller billioner af miles. Selv lys, rejser på 186, 000 miles (300, 000 kilometer) i sekundet, kan tage måneder eller år at krydse den. Hvis astronomer kan observere både den indledende opblussen af ​​synligt lys i tilvækstskiven og den efterfølgende infrarøde oplysning i torusen, de kan også måle den tid, det tog lyset at rejse mellem de to strukturer. Fordi lys bevæger sig med en standardhastighed, denne information giver også astronomerne afstanden mellem skiven og torusen.

Forskere kan derefter bruge afstandsmålingen til at beregne diskens lysstyrke, og, i teorien, dens afstand fra Jorden. Sådan gør du:Temperaturen i den del af skiven, der er tættest på det sorte hul, kan nå titusindvis af grader – så høj, at selv atomer rives fra hinanden, og støvpartikler ikke kan dannes. Varmen fra disken opvarmer også området omkring den, som et bål på en kold nat. At rejse væk fra det sorte hul, temperaturen falder gradvist.

Astronomer ved, at der dannes støv, når temperaturen falder til ca. 200 grader Fahrenheit (1, 200 Celsius); jo større bålet er (eller jo mere energi udstråler disken), jo længere væk fra den dannes støvet. Så måling af afstanden mellem tilvækstskiven og torus afslører skivens energiudgang, som er direkte proportional med dens lysstyrke.

Fordi lyset kan tage måneder eller år at krydse mellemrummet mellem disken og torusen, astronomer har brug for data, der strækker sig over årtier. Den nye undersøgelse er afhængig af næsten to årtiers observationer af synligt lys af sorte huls tilvækstskiver, fanget af flere jordbaserede teleskoper. Det infrarøde lys, der udsendes af støvet, blev detekteret af NASA's Near Earth Object Wide Field Infrared Survey Explorer (NEOWISE), tidligere navngivet WISE. Rumfartøjet undersøger hele himlen cirka en gang hver sjette måned, giver astronomer gentagne muligheder for at observere galakser og se efter tegn på disse lys-"ekkoer". Undersøgelsen brugte 14 undersøgelser af himlen af ​​WISE/NEOWISE, indsamlet mellem 2010 og 2019. I nogle galakser, lyset tog mere end 10 år at krydse afstanden mellem tilvækstskiven og støvet, hvilket gør dem til de længste ekkoer, der nogensinde er målt uden for Mælkevejen.

Galakser langt, Langt væk

Ideen om at bruge ekkokortlægning til at måle afstanden fra Jorden til fjerntliggende galakser er ikke ny, men undersøgelsen gør betydelige fremskridt med at demonstrere dens gennemførlighed. Den største enkeltundersøgelse af sin art, undersøgelsen bekræfter, at ekkokortlægning foregår på samme måde i alle galakser, uanset sådanne variabler som et sort huls størrelse, som kan variere betydeligt på tværs af universet. Men teknikken er ikke klar til bedste sendetid.

På grund af flere faktorer, forfatternes afstandsmål mangler præcision. Især, forfatterne sagde, de har brug for at forstå mere om strukturen af ​​de indre områder af støvdoughnutsen, der omkranser det sorte hul. Den struktur kan påvirke sådanne ting som hvilke specifikke bølgelængder af infrarødt lys, støvet udsender, når lyset først når det.

WISE-dataene spænder ikke over hele det infrarøde bølgelængdeområde, og et bredere datasæt kunne forbedre afstandsmålingerne. NASAs Nancy Grace romerske rumteleskop, lanceret i midten af ​​2020'erne, vil give målrettede observationer i forskellige infrarøde bølgelængdeområder. Agenturets kommende SPHEREx-mission (som står for Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer) vil undersøge hele himlen i flere infrarøde bølgelængder og kan også hjælpe med at forbedre teknikken.

"Det skønne ved ekkokortlægningsteknikken er, at disse supermassive sorte huller ikke forsvinder i den nærmeste fremtid, " sagde Qian Yang, en forsker ved University of Illinois i Urbana-Champaign og hovedforfatter af undersøgelsen, med henvisning til det faktum, at sorte hul-skiver kan opleve aktiv afbrænding i tusinder eller endda millioner af år. "Så vi kan måle støvekkoerne igen og igen for det samme system for at forbedre afstandsmålingen."

Lysstyrke-baserede afstandsmålinger kan allerede udføres med genstande kendt som "standard stearinlys, " som har en kendt lysstyrke. Et eksempel er en type eksploderende stjerne kaldet en Type 1a supernova, som spillede en afgørende rolle i opdagelsen af ​​mørk energi (navnet givet til den mystiske drivkraft bag universets accelererende udvidelse). Type 1a supernova har alle omtrent samme lysstyrke, så astronomer behøver kun at måle deres tilsyneladende lysstyrke for at beregne deres afstand fra Jorden.

Med andre standard stearinlys, astronomer kan måle en egenskab ved objektet for at udlede dets specifikke lysstyrke. Sådan er det med ekkokortlægning, hvor hver accretion disk er unik, men teknikken til at måle lysstyrken er den samme. Der er fordele for astronomer ved at kunne bruge flere standardlys, såsom at være i stand til at sammenligne afstandsmålinger for at bekræfte deres nøjagtighed, og hvert standardlys har styrker og svagheder.

"Måling af kosmiske afstande er en grundlæggende udfordring i astronomi, så muligheden for at have et ekstra trick i ærmet er meget spændende, " sagde Yue Shen, også forsker ved University of Illinois i Urbana-Champaign og medforfatter til papiret.