Tento obrázek ukazuje umělcovo vykreslení vnitřních oblastí kvazaru poháněné supermasivní černou dírou ve středu. Jak disk plynu a prachu padá do černé díry, vysoké teploty vytvářejí světlo. Rozdíly v tomto světle mohou astronomům pomoci měřit hmotnost černé díry.
(Obrázek: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / SDSS spolupráce)
Monstrum černé díry se skrývají ve středech většiny galaxií ve vesmíru a nyní nová technika pomáhá vědcům měřit hmotnost některých z největších černých děr ve vesmíru, i když leží ve středech velmi slabých, vzdálených galaxie. Nový přístup by mohl dramaticky zlepšit pochopení vědců o tom, jak se tito tvorové vyvíjejí a vyvíjejí a jak ovlivňují vývoj galaxií.
„Je to poprvé, kdy jsme přímo změřili hmotnosti tolika supermasivních černých děr tak daleko,“ uvedla Catherine Grierová, postdoktorandka ve státě Penn State, v prohlášení ze Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier vedl projekt na měření množství velkého množství tzv. Supermasivních černých děr pomocí SDSS dat. Výsledky oznámila úterý (9. ledna) na zasedání Americké astronomické společnosti v národním přístavu v Marylandu.
"Tato nová měření a budoucí měření, jako jsou tato, poskytnou životně důležité informace lidem, kteří studují, jak galaxie rostou a vyvíjejí se během kosmického času," řekl Grier. [Obrázky: Black Holes of the Universe]
Hromadné černé díry
Na základě desetiletí galaktických pozorování nyní astronomové předpokládají, že srdce téměř každé velké galaxie obsahuje superhmotnou černou díru (SMBH). Tato obludná zvířata mohou být miliony nebo miliardykrát masivnější než Slunce Země. Černé díry nevyzařují ani neodrážejí světlo, takže tyto SMBH nelze přímo vidět. Ale jak gravitace SMBH vtahuje prach a plyn z okolní galaxie, vytváří vířící disk materiálu, který padá do černé díry. Tento nafouknutý materiál se zahřívá a začíná vyzařovat světlo, takže černá díra je „viditelná“ (i když nepřímo). V některých případech je světlo z těchto disků jasnější než všechny hvězdy v galaxii; tyto neuvěřitelně jasné galaxie se pak nazývají aktivní galaktická jádra (AGN). Nejjasnější AGN se nazývají kvazary, které mohou astronomové vidět celou cestu přes viditelný vesmír; podle prohlášení naznačují přítomnost supermasivní černé díry.
Černé díry mají pouze tři měřitelné vlastnosti - hmotnost, rotace a náboj - takže výpočet hmotnosti je obrovskou součástí porozumění jednotlivé černé díry. V blízkých galaxiích mohou astronomové pozorovat, jak se skupiny hvězd a plynu pohybují kolem galaktického centra a pomocí těchto pohybů odvodí hmotnost centrální černé díry. Vzdálené galaxie však leží tak daleko, že dalekohledy nedokážou rozeznat hvězdy a mraky materiálu kolem černé díry.
Technika známá jako mapování dozvuku umožnila astronomům měřit hmotnosti těchto odlehlých černých děr. Nejprve vědci porovnají jas vyzařujícího plynu ve vnější oblasti galaxie s jasem plynu nalezeného ve vnitřní oblasti galaxie. (Tato vnitřní oblast, velmi blízko k černé díře, je známá jako oblast kontinua). Plyn v oblasti kontinua ovlivňuje rychle se pohybující plyn dále. Světlo však vyžaduje čas, aby vycestovalo ven nebo odrazilo, což způsobuje zpoždění mezi změnami pozorovanými ve vnitřní oblasti a jejich účinkem na vnější oblast. Měření zpoždění ukazuje, jak daleko je vnější disk plynu od černé díry. Ve spojení s rychlostí rotace kolem galaxie to umožňuje astronomům měřit hmotnost SMBH, řekl Grier v Space.com v e-mailu.
Tento proces je však bolestně pomalý. Aby bylo možné pozorovat efekt dozvuku, musí být jednotlivá galaxie studována znovu a znovu po dobu několika měsíců, zatímco vzdálené kvasary mohou trvat několik let opakovaných pozorování, uvedli vědci v prohlášení. Během posledních 20 let se astronomům podařilo použít techniku dozvuku pouze pro asi 60 SMBH v blízkých galaxiích a hrst vzdálených kvasarů.
V rámci projektu SDSS Reverberation Mapping Project, Grier a její kolegové začali mapovat SMBH rychleji, než bylo dříve možné. Klíčem k tomuto rychlejšímu mapování je specializovaný širokoúhlý dalekohled projektu, který se nachází v observatoři Apache Point v Sunspotu v Novém Mexiku a který může podle Griera sbírat data na více kvazích současně. Momentálně pozoruje část oblohy, která obsahuje asi 850 kvasarů.
Vědci pozorovali kvasary pomocí kanadsko-francouzsko-havajského dalekohledu na Havaji a Stewardovy observatoře Bok Telescope v Arizoně, aby kalibrovali svá měření neuvěřitelně slabých objektů. Celkově vědci nyní změřili zpoždění doby dozvuku pro 44 kvasarů a podle těchto měření vypočítali hmotnosti černých děr v rozsahu od 5 milionů do 1,7 miliardkrát větší než je množství slunečního záření Země.
„Je to velký krok vpřed pro kvazární vědu,“ uvedl v prohlášení Aaron Barth, profesor astronomie na Kalifornské univerzitě, Irvine, který se nezúčastnil výzkumu týmu. "Ukázali poprvé, že tato obtížná měření lze provádět v režimu hromadné výroby."
Nová měření zvyšují celkový počet galaktických měření hmotnosti SMBH asi o dvě třetiny. Protože mnoho z těchto galaxií je velmi daleko, nová měření odhalují SMBH masy z dalšího zpět v čase, do doby, kdy byl vesmír jen poloviční než jeho současný věk.
Tím, že bude i nadále pozorovat 850 kvasarů s dalekohledem SDSS po několik let, bude tým shromažďovat roky dat, která jim umožní měřit masy dokonce slabších kvasarů, jejichž delší časové zpoždění nelze měřit jediným rokem dat.
„Získání pozorování kvasarů během několika let je zásadní pro získání dobrých měření,“ řekla Yue Shen, odborná asistentka na University of Illinois a hlavní řešitelka projektu SDSS Reverberation Mapping Project. "Jak budeme pokračovat v našem projektu, který bude sledovat další a další kvasary v nadcházejících letech, budeme schopni lépe porozumět tomu, jak rostou a vyvíjejí se supermasivní černé díry."
Po ukončení současné čtvrté fáze SDSS v roce 2020 začne pátá fáze, SDSS-V. SDSS-V představuje nový program s názvem Black Hole Mapper, ve kterém vědci plánují měřit masy SMBH ve více než 1 000 kvazarech, pozorovat slabší a starší kvazary, než jakýkoli projekt mapování dozvuku, jaký kdy zvládl.
"Black Hole Mapper nás nechá přejít do doby velkolepého mapování odrazů černé díry ve skutečném průmyslovém měřítku," uvedl Niel Brandt, profesor astronomie a astrofyziky ve státě Penn a dlouholetý člen SDSS. "Dozví se více o těchto záhadných objektech více než kdy předtím."
