Lige siden opdagelsen af Skytten A* i centrum af vores galakse har astronomer forstået, at de fleste massive galakser har en Supermassivt sort hul (SMBH) i deres kerne. Disse er bevist af de kraftige elektromagnetiske emissioner produceret ved kernerne i disse galakser - som er kendt som 'Active Galatic Nuclei' (AGN) - som menes at være forårsaget af gas og støv, der samler sig på SMBH.
I årtier har astronomer studeret lyset fra AGN'er for at bestemme, hvor store og massive deres sorte huller er. Dette har været svært, da dette lys er udsat for Doppler-effekten, som får dets spektrallinjer til at udvide sig. Men takket være en ny model udviklet af forskere fra Kina og USA, vil astronomer muligvis være i stand til at studere disse Broad Line Regions (BLR'er) og lave mere nøjagtige skøn over massen af sorte huller.
Studiet, ' Tidevandsforstyrrede støvede klumper som oprindelsen til brede emissionslinjer i aktive galaktiske kerner “, udkom for nylig i det videnskabelige tidsskriftNatur. Undersøgelsen blev ledet af Jian-Min Wang, en forsker fra Institut for Højenergifysik (IHEP) ved det kinesiske videnskabsakademi med assistance fra University of Wyoming og University of Nanjing.
En kunstners indtryk af tilvækstskiven omkring det supermassive sorte hul, der driver en aktiv galakse. Kredit: NASA/Dana Berry, SkyWorks Digital
For at nedbryde det er SMBH'er kendt for at have en torus af gas og støv, der omgiver dem. Det sorte huls tyngdekraft accelererer gas i denne torus til hastigheder på tusindvis af kilometer i sekundet, hvilket får den til at varme op og udsende stråling ved forskellige bølgelængder. Denne energi overstrålede til sidst hele den omgivende galakse, hvilket er det, der gør det muligt for astronomer at bestemme tilstedeværelsen af en SMBH.
Som Michael Brotherton, en UW-professor i Institut for Fysik og Astronomi og en medforfatter på undersøgelsen, forklarede i en UW pressemeddelelse :
'Folk tænker,' Det er et sort hul. Hvorfor er det så lyst?’ Et sort hul er stadig mørkt. Skiverne når så høje temperaturer, at de udsender stråling over det elektromagnetiske spektrum, som omfatter gammastråler, røntgenstråler, UV, infrarøde og radiobølger. Det sorte hul og den omgivende tiltagende gas, som det sorte hul lever af, er brændstof, der tænder for kvasaren.'
Problemet med at observere disse lyse områder kommer fra det faktum, at gasserne i dem bevæger sig så hurtigt i forskellige retninger. Mens gas, der bevæger sig væk (i forhold til os), flyttes mod den røde ende af spektret, flyttes gas, der bevæger sig mod os, mod den blå ende. Det er det, der fører til en bred linjeregion, hvor spektret af det udsendte lys bliver mere som en spiral, hvilket gør nøjagtige aflæsninger svære at opnå.
I øjeblikket er målingen af massen af SMBH'er i aktive galaktiske kerner baseret på 'efterklangskortlægningsteknikken'. Kort sagt involverer dette brug af computermodeller til at undersøge de symmetriske spektrallinjer i en BLR og måle tidsforsinkelserne mellem dem. Disse linjer menes at stamme fra gas, der er blevet fotoioniseret af tyngdekraften fra SMBH.
Tætte skyer af støv og gas, illustreret her, kan skjule mindre energisk stråling fra en aktiv galakses centrale sorte hul. Højenergi røntgenstråler passerer dog let igennem. Kredit: ESA/NASA/AVO/Paolo Padovani
Men da der er ringe forståelse for brede emissionslinjer og de forskellige komponenter i BLR'er, giver denne metode anledning til nogle usikkerheder på mellem 200 og 300%. 'Vi forsøger at komme på mere detaljerede spørgsmål om spektrale bredlinjede områder, der hjælper os med at diagnosticere sort hulmassen,' sagde Brotherton. 'Folk ved ikke, hvor disse brede emissionslinjer kommer fra eller arten af denne gas.'
I modsætning hertil adopterede holdet ledet af Dr. Wang en ny type computermodel, der overvejede dynamikken i gastorusen omkring en SMBH. Denne torus, antager de, ville bestå af diskrete klumper af stof, der ville blive forstyrret af det sorte hul, hvilket resulterer i, at noget gas strømmer ind i det (aka. samler sig på det), og noget bliver udstødt som udstrømning.
Ud fra dette fandt de ud af, at emissionslinjerne i en BLR er underlagt tre karakteristika - 'asymmetri', 'form' og 'forskydning'. Efter at have undersøgt forskellige emissionslinjer - både symmetriske og asymmetriske - fandt de ud af, at disse tre karakteristika var stærkt afhængige af, hvor lyse gasklumperne var, hvilket de fortolkede som et resultat af vinklen på deres bevægelse i torusen. Eller som Dr. Brotherton udtrykte det:
'Det, vi foreslår, er, at disse støvede klumper bevæger sig. Nogle banker ind i hinanden og smelter sammen og ændrer hastighed. Måske flytter de ind i kvasaren, hvor det sorte hul bor. Nogle af klumperne spinder ind fra bredlinjeområdet. Nogle bliver smidt ud.'
Illustration af det supermassive sorte hul i midten af Mælkevejen.
Kredit: NRAO/AUI/NSF
I sidste ende antyder deres nye model, at tidevandsforstyrrede klumper af stof fra en sort hul-torus kan repræsentere kilden til BLR-gassen. Sammenlignet med tidligere modeller etablerer den, som Dr. Wang og hans kolleger har udviklet, en forbindelse mellem forskellige nøgleprocesser og komponenter i nærheden af en SMBH. Disse omfatter tilførslen af det sorte hul, kilden til fotoioniseret gas og selve den støvede torus.
Selvom denne forskning ikke løser alle mysterierne omkring AGN'er, er det et vigtigt skridt i retning af at opnå nøjagtige masseestimater af SMBH'er baseret på deres spektrallinjer. Ud fra disse kunne astronomer være i stand til mere præcist at bestemme, hvilken rolle disse sorte huller spillede i udviklingen af store galakser.
Undersøgelsen blev muliggjort takket være støtte fra National Key Program for Science and Technology Research and Development og Key Research Program of Frontier Sciences, som begge administreres af det kinesiske videnskabsakademi.
Yderligere læsning: IHEP , DINE nyheder , Natur