Skematiese voorstelling van 'n kwasar. Die warm aanwasskyf in die middel omring die swart gat, wat hier onsigbaar is. ’n Digte verspreiding van gas en stof omring dit waarin individuele geïoniseerde gaswolke teen hoë spoed om die swart gat wentel. Gestimuleer deur die intense en hoë-energie straling van die akkresieskyf, straal hierdie wolke straling uit in die vorm van spektrale lyne, verbreed as gevolg van die Doppler-effek. Die sone van hierdie gaswolke word dus breë emissielynstreek (BLR) genoem. Krediet: Grafiese departement/Bosco/MPIA
Toets 'n nuwe, direkte metode om die massas supermassiewe swart gate te bepaal.
Sterrekundiges van die Max Planck Instituut vir Sterrekunde het vir die eerste keer suksesvol 'n nuwe metode getoets om die massas uiterste swart gate in kwasars te bepaal. Hierdie metode word spektroastrometrie genoem en is gebaseer op die meting van straling wat deur gas in die omgewing van supermassiewe swart gate vrygestel word. Hierdie meting bepaal terselfdertyd die rotasiesnelheid van die uitstralende gas en sy afstand vanaf die middel van die aanwasskyf waaruit materiaal in die swart gat. In vergelyking met ander metodes is spektroastrometrie relatief eenvoudig en doeltreffend as dit met moderne groot teleskope uitgevoer word. Die hoë sensitiwiteit van hierdie metode maak dit moontlik om die omgewing van ligkwasars en supermassiewe swart gate in die vroeë Heelal te ondersoek.
In kosmologie is die bepaling van die massa supermassiewe swart gate in die jong heelal 'n belangrike meting om die temporele evolusie van die kosmos na te spoor. Nou Felix Bosco, in noue samewerking met Jörg-Uwe Pott, beide van die Max Planck Instituut vir Sterrekunde (MPIA) in Heidelberg, en voormalige MPIA-navorsers Jonathan Stern (nou Universiteit van Tel Aviv, Israel) en Joseph Hennawi (nou UC Santa Barbara; VSA en Leiden Universiteit, Nederland), het vir die eerste keer daarin geslaag om die uitvoerbaarheid van die direk bepaling van die massa van 'n kwasar met behulp van spektroastrometrie te demonstreer.
Hierdie metode laat toe dat die massa van verafgeleë swart gate in ligkwasars direk vanaf optiese spektra bepaal word, sonder dat uitgebreide aannames oor die ruimtelike verspreiding van gas nodig is. Die skouspelagtige toepassings van spektroastrometriese metings van kwasarmassas is etlike jare gelede stelselmatig by MPIA ondersoek.
Kwasars: bakens van die heelal
Kwasars bevat supermassiewe swart gate in die middelpunte van sterrestelsels en is van die helderste kosmiese voorwerpe. Daarom is hulle oor groot afstande waarneembaar en maak dit dus die verkenning van die vroeë Heelal moontlik.
As daar gas naby 'n swart gat is, kan dit nie direk daarin val nie. In plaas daarvan vorm 'n aanwasskyf, 'n draaikolk wat die materie in die swart gat help invloei. Hoë wrywingskragte in hierdie stroom gas, wat uiteindelik die swart gat voed, verhit die aanwasskyf tipies tot vyftigduisend grade. Die intensiteit van die straling wat in die proses uitgestraal word, laat die kwasars so helder lyk dat hulle al die sterre in die sterrestelsel beter skyn.
Ander komponente binne kwasars is al etlike dekades bekend, soos die sogenaamde "breë emissielynstreek" (BLR), 'n sone waarin geïoniseerde gaswolke om die sentrale swart gat wentel teen snelhede van etlike duisende kilometer per sekonde. Die intense en energieke bestraling vanaf die akkresieskyf stimuleer emissie van die gas in die BLR, wat in die spektra sigbaar is in die vorm van spektrale lyne. As gevolg van die Doppler-effek word hulle egter sterk verbreed deur die hoë baansnelhede, wat die BLR dus sy naam gee.
'n Nuwe metode om swartgatmassas te meet
Nou het Felix Bosco en sy kollegas die opties helderste spektrale waterstoflyn (Ha) in die BLR van die kwasar J2123-0050 in die sterrebeeld Waterdraer gemeet. Sy lig kom uit 'n tyd toe die Heelal net 2.9 miljard jaar oud was. Deur die metode van spektroastrometrie te gebruik, het hulle die vermoedelike afstand van die stralingsbron in die BLR tot die middel van die akkresieskyf, die ligging van die potensiële supermassiewe swart gat, bepaal. Terselfdertyd verskaf die Ha-lyn die radiale snelheid van die waterstofgas, dit wil sê daardie snelheidskomponent wat na die aarde wys. Net soos die massa van die Son die baansnelhede van die planete in die sonnestelsel bepaal, kan die massa van die swart gat in die middel van die kwasar presies uit hierdie data afgelei word as die gasverspreiding ruimtelik opgelos kan word.
Skematiese voorstelling van die oorsprong van die spektroastrometrie sein. As die geïoniseerde gas in rus was, sou ons dieselfde golflengte van die spektrale lyn regdeur die BLR meet. Die gaswolke wentel egter om die swart gat. Van die kant gesien, kom hulle aan die een kant na ons toe terwyl hulle weer aan die ander kant wegbeweeg. As gevolg hiervan lyk die spektrale sein aan die een kant blouverskuif na korter golflengtes. Aan die ander kant is dit rooiverskuif na langer golflengtes. Hierdie verskil in die gemete golflengte, afhangende van die posisie langs die BLR, lei tot die spektroastrometrie sein hierbo aangedui. Hieruit kan navorsers die maksimum afstand van die waargenome BLR-wolke vanaf die middel van die kwasar en die heersende snelheid daar bepaal. Krediet: Grafiese departement/Bosco/MPIA
Selfs vir vandag se groot teleskope is die omvang van die BLR egter heeltemal te klein hiervoor. "Deur egter spektrale en ruimtelike inligting in die versamelde lig te skei, sowel as deur die gemete data statisties te modelleer, kan ons afstande van baie minder as een beeldpiksel vanaf die middel van die aanwasskyf aflei," verduidelik Felix Bosco. Die duur van die waarnemings bepaal die akkuraatheid van die meting.
Vir J2123-0050 het die sterrekundiges 'n swartgatmassa van hoogstens 1.8 miljard sonmassas bereken. “Die presiese massabepaling was nog glad nie die hoofdoel van hierdie eerste waarnemings nie,” sê Jörg-Uwe Pott, mede-outeur en hoof van die “Swart gate en aanwasmeganismes”-werkgroep by MPIA. "In plaas daarvan wou ons wys dat die spektroastrometrie-metode in beginsel die kinematiese handtekening van die sentrale kwasarmassas kan opspoor met behulp van die 8-meter teleskope wat reeds vandag beskikbaar is." Spektroastrometrie kan dus 'n waardevolle toevoeging wees tot die instrumente wat navorsers gebruik om swartgatmassas te bepaal. Joe Hennawi voeg by, "Met die aansienlik verhoogde sensitiwiteit van die James Webb Space Telescope (JWST) en die Extremely Large Telescope (ELT met ’n primêre spieëldeursnee van 39 meter) wat tans in aanbou is, sal ons binnekort kwasarmassas by die hoogste rooiverskuiwings kan bepaal.” Jörg-Uwe Pott, wat ook die Heidelberg-bydraes lei tot ELT se eerste naby-infrarooi kamera, MICADO, voeg by: "Die haalbaarheidstudie wat nou gepubliseer is, help ons om ons beplande ELT-navorsingsprogramme te definieer en voor te berei."
Spektroastrometrie waardevolle toevoeging tot klassieke metodes
Onder die alternatiewe vir die opname van BLR in nabygeleë kwasars is 'n wyd gebruikte metode: "Reverberation Mapping" (RM). Dit gebruik die ligoorgangstyd wat enige helderheidsfluktuasie in die aanwasskyf nodig het om die omliggende gas op te wek tot verhoogde bestraling. Hieruit skat sterrekundiges die gemiddelde omvang van die BLR. Benewens die soms aansienlike onsekerhede in die aannames, het hierdie metode beslissende nadele in vergelyking met spektroastrometrie wanneer die mees massiewe en mees verafgeleë swart gate ondersoek word. Die deursnee van die BLR korreleer met die massa van die sentrale swart gat. Gevolglik word die seinvertraging tussen die aanwasskyf en die BLR baie groot vir massiewe swart gate in die vroeë Heelal. Die nodige reeks metings van etlike jare word onprakties lank.
Boonop is die helderheidsfluktuasies en meetbaarheid geneig om af te neem met toenemende swartgatmassa en kwasarhelderheid. Die RM-metode is dus selde van toepassing op ligkwasars. Gevolglik is dit nie geskik om kwasars op groot kosmologiese afstande te meet nie.
Foto van die koepel van die Gemini North-teleskoop in Hawaii, VSA. Dié teleskoop het ’n primêre spieëldeursnee van 8.1 meter en ’n lasergeleidingster wat saam met aanpasbare optika help om die invloed van die atmosfeer op waarnemings tot die minimum te beperk. Tweeling-Noord is gebruik vir die spektroastrometrie-uitvoerbaarheidstudie. Krediet: Gemini Observatory
Die RM dien egter as 'n basis vir die kalibrering van ander indirekte metodes wat eers vir nabygeleë kwasars vasgestel is en dan uitgebrei word na verder afgeleë, ligte kwasars met massiewe swart gate. Die kwaliteit van hierdie indirekte benaderings staan en val met die akkuraatheid van die RM-metode. Ook hier kan spektroastrometrie help om die massabepaling van massiewe swart gate op 'n breër basis te plaas. Byvoorbeeld, die evaluering van die data van J2123-0050 dui daarop dat die korrelasie tussen die grootte van die BLR en die kwasarhelderheid, wat aanvanklik met die RM-metode vir taamlik nabye, dowwe kwasars vasgestel is, eintlik ook geld vir ligkwasars. Verdere metings is egter hier nodig.
Die BLR kan ook interferometries gemeet word in nabygeleë aktiewe sterrestelsels, soos met die GRAVITY-instrument van die Baie groot teleskoop Interferometer (VLTI). Die groot voordeel van spektroastrometrie is egter dat slegs 'n enkele hoogs sensitiewe waarneming nodig is. Daarbenewens vereis dit nóg die tegnies baie komplekse koppeling van verskeie teleskope soos vereis deur interferometrie nóg lang reekse metings oor maande en jare soos die geval is met die RM. Byvoorbeeld, 'n enkele reeks waarnemings met 'n blootstellingstyd van vier uur met die 8-meter-klas Gemini North-teleskoop in Hawaii, ondersteun deur 'n regstellingstelsel bestaande uit 'n lasergidsster en aanpasbare optika, was voldoende vir die navorsingsgroep gelei deur Felix Bosco.
Die opening van 'n nuwe deur na die verkenning van die vroeë heelal
Navorsers het groot verwagtinge vir die volgende generasie groot optiese teleskope soos bv ESOse ELT. Deur 'n vergrote ligversamelende oppervlak te kombineer met vyfvoudig verhoogde beeldskerpte sou die waarneming wat hier aangebied word binne net 'n paar minute by die ELT moontlik maak. Felix Bosco verduidelik, "Ons sal die ELT gebruik om talle kwasars op verskillende afstande in 'n enkele nag astrometries te meet, wat ons in staat stel om die kosmologiese evolusie van swartgatmassas direk waar te neem." Met die suksesvolle astrometriese haalbaarheidstudie het die skrywers 'n nuwe deur na die verkenning van die vroeë Heelal wyd oopgestoot.
Verwysings:
“Ruimtelike oplossing van die kinematika van die ?100 µas Quasar Breëlyn-streek deur spektroastrometrie te gebruik. II. The First Tentative Detection in a Luminous Quasar at z = 2.3” deur Felix Bosco, Joseph F. Hennawi, Jonathan Stern en Jörg-Uwe Pott, 22 September 2021, Die Astro Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac106a
“Spatially Resolving the Kinematics of the Quasar Bread-Line Region Using Spectroastrometry” deur Jonathan Stern, Joseph F. Hennawi en Jörg-Uwe Pott, 30 April 2015, Die Astro Journal.
DOI: 10.1088/0004-637X/804/1/57
