Это изображение показывает рендеринг художника внутренних областей квазара, питаемого сверхмассивной черной дырой в центре. Когда диск газа и пыли падает в черную дыру, высокие температуры создают свет. Различия в этом свете могут помочь астрономам измерить массу черной дыры.
(Изображение: © Nahks Tr'Ehnl / Кэтрин Гриер (штат Пенсильвания) / SDSS совместная работа)
Черные дыры монстров прячутся в центрах большинства галактик во вселенной, и теперь новая методика помогает ученым измерить массу некоторых из самых больших черных дыр во вселенной, даже когда они лежат в центрах очень слабых, далеких галактик. Новый подход может значительно улучшить понимание учеными того, как эти бегемоты формируются и развиваются, и как они влияют на эволюцию галактики.
«Это первый раз, когда мы прямо измерили массы для стольких сверхмассивных черных дыр так далеко», - заявила Кэтрин Грир, научный сотрудник в штате Пенсильвания, в заявлении Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Грир руководил проектом по измерению массы множества так называемых сверхмассивных черных дыр с использованием данных SDSS. Она сообщила о результатах во вторник (9 января) на собрании Американского астрономического общества в Национальной гавани, штат Мэриленд.
«Эти новые измерения, а также будущие измерения, подобные им, дадут жизненно важную информацию для людей, изучающих, как галактики растут и развиваются в течение космического времени», - сказал Грир. [Изображения: Черные дыры Вселенной]
Измерение массы черных дыр
Основываясь на десятилетиях галактических наблюдений, астрономы теперь предполагают, что сердце почти каждой большой галактики содержит сверхмассивную черную дыру (SMBH). Эти чудовищные звери могут быть в миллионы или миллиарды раз массивнее Солнца Земли. Черные дыры не излучают и не отражают свет, поэтому эти SMBH нельзя увидеть напрямую. Но поскольку гравитация SMBH притягивает пыль и газ из окружающей галактики, она создает закрученный диск из материала, который падает в черную дыру. Этот падающий материал нагревается и начинает излучать свет, делая черную дыру «видимой» (хотя и косвенно). В некоторых случаях свет от этих дисков становится ярче, чем у всех звезд в галактике; эти невероятно яркие галактики тогда называются активными ядрами галактик (AGN). Самые яркие AGN называются квазарами, которые астрономы могут видеть по всей видимой вселенной; согласно заявлению, они указывают на наличие сверхмассивной черной дыры.
Черные дыры обладают только тремя измеримыми свойствами - массой, спином и зарядом - поэтому вычисление массы является огромной частью понимания отдельной черной дыры. В близлежащих галактиках астрономы могут наблюдать за тем, как группы звезд и газа движутся вокруг центра галактики, и использовать эти движения для определения массы центральной черной дыры. Но далекие галактики лежат так далеко, что телескопы не могут разглядеть звезды и облака материала вокруг черной дыры, согласно заявлению.
Техника, известная как картографирование реверберации, позволила астрономам измерить массы этих удаленных черных дыр. Во-первых, исследователи сравнивают яркость излучающего газа во внешней области галактики с яркостью газа, обнаруженного во внутренней области галактики. (Эта внутренняя область, очень близкая к черной дыре, называется областью континуума). Газ в области континуума воздействует на быстро движущийся газ дальше. Однако свету требуется время, чтобы распространиться наружу или отразиться, вызывая задержку между изменениями, наблюдаемыми во внутренней области, и их влиянием на внешнюю область. Измерение задержки показывает, как далеко находится внешний газовый диск от черной дыры. В сочетании с частотой вращения вокруг галактики, это позволяет астрономам измерять массу SMBH, сообщил Грир в интервью Space.com по электронной почте.
Но процесс мучительно медленный. Чтобы наблюдать эффект реверберации, отдельная галактика должна изучаться снова и снова в течение нескольких месяцев, в то время как отдаленные квазары могут занять несколько лет повторных наблюдений, говорится в заявлении исследователей. За последние 20 лет астрономам удалось использовать технику реверберации только для около 60 SMBH в близлежащих галактиках и нескольких отдаленных квазарах.
В рамках проекта картирования реверберации SDSS Грир и ее коллеги начали картировать SMBH быстрее, чем раньше. Ключ к этому более быстрому картированию исходит от специализированного телескопа с широким обзором, расположенного в обсерватории Апач-Пойнт в Санспот, штат Нью-Мексико, который может собирать данные о нескольких квазарах одновременно, по словам Грир. В настоящее время он наблюдает участок неба, содержащий около 850 квазаров.
Исследователи наблюдали квазары с помощью телескопа Канада-Франция-Гавайи на Гавайях и телескопа Бокса в Аризоне, чтобы откалибровать их измерения невероятно слабых объектов. В целом, исследователи теперь измерили задержки по времени реверберации для 44 квазаров, и они использовали эти измерения, чтобы вычислить массы черных дыр в диапазоне от 5 миллионов до 1,7 миллиардов масс Солнца Земли, согласно заявлению.
«Это большой шаг вперед для науки квазаров», - заявил в заявлении Аарон Барт, профессор астрономии в Калифорнийском университете в Ирвине, который не принимал участия в исследованиях команды. «Они впервые показали, что эти сложные измерения можно проводить в режиме массового производства».
Новые измерения увеличивают общее количество измерений массы галактического SMBH примерно на две трети. Поскольку многие из этих галактик находятся очень далеко, новые измерения показывают массы SMBH от далекого прошлого, до того момента, когда вселенная достигла лишь половины своего нынешнего возраста.
Продолжая наблюдать за 850 квазарами с помощью телескопа SDSS в течение нескольких лет, команда будет накапливать данные за годы, что позволит им измерять массы даже более слабых квазаров, более длительные временные задержки которых невозможно измерить с помощью данных за один год.
«Наблюдение за квазарами в течение нескольких лет имеет решающее значение для получения хороших измерений», - сказал Юэ Шен, доцент Университета Иллинойса и главный исследователь проекта реверберации SDSS. «Поскольку мы продолжаем наш проект по мониторингу все большего и большего числа квазаров в течение многих лет, мы сможем лучше понять, как растут и развиваются сверхмассивные черные дыры».
После того, как текущий четвертый этап SDSS завершится в 2020 году, начнется пятый этап, SDSS-V. SDSS-V содержит новую программу под названием «Картограф черной дыры», в которой исследователи планируют измерять массы SMBH в более чем 1000 квазаров, наблюдая более слабые и более старые квазары, чем когда-либо когда-либо выполнялся в рамках проекта картирования реверберации.
«Картограф черной дыры позволит нам перейти в эпоху реверберации сверхмассивной черной дыры в истинном промышленном масштабе», - сказал в заявлении Ниль Брандт, профессор астрономии и астрофизики в штате Пенсильвания и давний член SDSS. «Мы узнаем больше об этих таинственных объектах, чем когда-либо прежде».
