Tento obrázok ukazuje umelcove vykreslenie vnútorných oblastí kvasaru poháňaného supermasívnou čiernou dierou v strede. Keď disk plynu a prachu padá do čiernej diery, vysoké teploty vytvárajú svetlo. Rozdiely v tomto svetle môžu pomôcť astronómom zmerať hmotnosť čiernej diery.
(Obrázok: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (štát Penn) / SDSS)
Čierne diery monštrum sa skrývajú v strede väčšiny galaxií vo vesmíre a teraz nová technika pomáha vedcom zmerať množstvo niektorých z najväčších čiernych dier vo vesmíre, aj keď ležia v stredoch veľmi slabých, vzdialených galaxie. Nový prístup by mohol dramaticky zlepšiť pochopenie vedcov o tom, ako sa tieto monštrá formujú a vyvíjajú a ako ovplyvňujú vývoj galaxií.
„Je to prvýkrát, čo sme priamo zmerali masy pre toľko supermasívnych čiernych dier, ktoré sa zatiaľ nachádzajú,“ uviedla vo vyhlásení Sloan Digital Sky Survey (SDSS) Catherine Grier, postdoktorandka v štáte Penn State. Grier viedol projekt na meranie množstva veľkého množstva tzv. Supermasívnych čiernych dier pomocou údajov SDSS. Výsledky oznámila utorok (9. januára) na stretnutí Americkej astronomickej spoločnosti v národnom prístave v Marylande.
„Tieto nové merania a budúce merania, ako sú tieto, poskytnú životne dôležité informácie ľuďom, ktorí študujú, ako sa galaxie rastú a vyvíjajú počas kozmického času,“ uviedol Grier. [Images: Black Holes of the Universe]
Hromadné meranie čiernych dier
Na základe desaťročí galaktických pozorovaní teraz astronómovia predpokladajú, že srdce takmer každej veľkej galaxie obsahuje superhmotnú čiernu dieru (SMBH). Tieto monštrá môžu byť milióny alebo miliardy krát mohutnejšie ako Zemské slnko. Čierne diery nevyžarujú ani neodrážajú svetlo, takže tieto SMBH nie je možné priamo vidieť. Ale ako gravitácia SMBH nasáva prach a plyn z okolitej galaxie, vytvára točivý disk materiálu, ktorý padá do čiernej diery. Tento nafukujúci sa materiál sa zahreje a začne vyžarovať svetlo, vďaka čomu je čierna diera „viditeľná“ (aj keď nepriamo). V niektorých prípadoch sa svetlo z týchto diskov stáva jasnejším ako všetky hviezdy v galaxii; tieto neuveriteľne jasné galaxie sa potom nazývajú aktívne galaktické jadrá (AGN). Najjasnejšia AGN sa nazýva kvasary, ktoré astronómovia vidia celú cestu cez viditeľný vesmír; podľa vyjadrenia naznačujú prítomnosť supermasívnej čiernej diery.
Čierne diery majú iba tri merateľné vlastnosti - hmotnosť, rotáciu a náboj - takže výpočet hmotnosti je obrovskou súčasťou pochopenia jednotlivej čiernej diery. V blízkych galaxiách môžu astronómovia pozorovať, ako sa skupiny hviezd a plynu pohybujú okolo galaktického centra a pomocou týchto pohybov odvodzujú hmotnosť centrálnej čiernej diery. Vzdialené galaxie však ležia tak ďaleko, že ďalekohľady nedokážu rozlíšiť hviezdy a oblaky materiálu okolo čiernej diery.
Technika známa ako mapovanie dozvukov umožnila astronómom zmerať hmotnosti týchto odľahlých čiernych dier. Vedci najprv porovnávajú jas žiariaceho plynu vo vonkajšej oblasti galaxie s jasom plynu nachádzajúceho sa vo vnútornej oblasti galaxie. (Táto vnútorná oblasť, veľmi blízko k čiernej diere, je známa ako oblasť kontinua). Plyn v oblasti kontinua ovplyvňuje rýchlo sa pohybujúci plyn ďalej. Svetlo však trvá nejaký čas, aby vycestovalo von alebo dozvuku, čo spôsobí oneskorenie medzi zmenami pozorovanými vo vnútornej oblasti a ich účinkom na vonkajšiu oblasť. Meranie oneskorenia ukazuje, ako ďaleko je vonkajší disk plynu od čiernej diery. Spolu s rýchlosťou rotácie okolo galaxie to umožňuje astronómom zmerať hmotnosť SMBH, informoval Grier v Space.com v e-maile.
Tento proces je však bolestivo pomalý. Aby sa pozoroval efekt dozvuku, musí sa jednotlivá galaxia študovať znova a znova niekoľko mesiacov, zatiaľ čo vzdialené kvázary môžu trvať niekoľko rokov opakovaných pozorovaní, uviedli vedci. Za posledných 20 rokov sa astronómom podarilo použiť techniku dozvuku iba pre asi 60 SMBH v blízkych galaxiách a hrsť vzdialených kvasarov.
V rámci projektu mapovania veveričiek SDSS, Grier a jej kolegovia začali mapovať SMBH rýchlejšie ako predtým. Kľúčom k tomuto rýchlejšiemu mapovaniu je špecializovaný širokouhlý ďalekohľad projektu, ktorý sa nachádza v observatóriu Apache Point v Sunspote v Novom Mexiku a ktorý podľa Griera môže zhromažďovať údaje o viacerých kvasaroch súčasne. Momentálne pozoruje záblesk oblohy, ktorý obsahuje asi 850 kvasarov.
Vedci pozorovali kvázary pomocou kanadsko-francúzsko-havajského ďalekohľadu na Havaji a stewardského observatória Bok Telescope v Arizone, aby mohli kalibrovať svoje merania neuveriteľne slabých objektov. Celkovo vedci teraz merali oneskorenia dozvuku pre 44 kvasarov a podľa týchto meraní použili tieto merania na výpočet hmotností čiernych dier v rozsahu od 5 miliónov do 1,7 miliárd násobku hmotnosti slnečného žiarenia Zeme.
"Je to veľký krok vpred pre kvázarské vedy," uviedol vo vyhlásení Ironine, profesor astronómie na Kalifornskej univerzite, Aaron Barth. „Prvýkrát ukázali, že tieto ťažké merania je možné vykonať v režime hromadnej výroby.“
Nové merania zvyšujú celkový počet galaktických meraní hmotnosti SMBH asi o dve tretiny. Pretože mnohé z týchto galaxií sú veľmi ďaleko, nové merania odhaľujú masy SMBH z ďalekej minulosti, do obdobia, keď bol vesmír iba polovicou svojho súčasného veku.
Tým, že bude pozorovať 850 kvasarov s ďalekohľadom SDSS počas viacerých rokov, tím bude zhromažďovať roky údajov, ktoré im umožnia zmerať hmotnosti dokonca slabších kvázarov, ktorých dlhšie časové oneskorenia nemožno zmerať pomocou jediného roku údajov.
„Získanie pozorovaní kvázarov počas niekoľkých rokov je rozhodujúce pre dosiahnutie dobrých meraní,“ uviedla Yue Shen, odborná asistentka na University of Illinois a hlavná riešiteľka projektu mapovania Reverberation SDSS. „Keď budeme pokračovať v projekte, ktorý bude v nasledujúcich rokoch monitorovať stále viac kvázarov, budeme schopní lepšie porozumieť tomu, ako rastú a vyvíjajú sa supermasívne čierne diery.“
Po ukončení súčasnej štvrtej fázy SDSS v roku 2020 sa začne piata fáza SDSS-V. SDSS-V predstavuje nový program s názvom Black Hole Mapper, v ktorom vedci plánujú merať masy SMBH vo viac ako 1 000 kvasároch, pričom pozorujú slabšie a staršie kvasary, ako sa kedy podarilo zvládnuť akýkoľvek projekt mapovania dozvuku.
„The Black Hole Mapper nás posunie do veku veľkolepého mapovania odrazov čiernych dier v skutočnom priemyselnom meradle,“ uviedla vo vyhlásení Niel Brandt, profesor astronómie a astrofyziky v štáte Penn State a dlhoročný člen SDSS. "Dozvieme sa viac o týchto záhadných predmetoch viac ako kedykoľvek predtým."
