Ova slika prikazuje umjetnički prikaz unutarnjih dijelova kvazara pokretan supermasivnom crnom rupom u sredini. Kako disk plina i prašine pada u crnu rupu, visoke temperature stvaraju svjetlost. Razlike u ovom svjetlu mogu pomoći astronomima u izmjeri mase crne rupe.
(Slika: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (država Penn) / SDSS)
Crne rupe čudovišta skrivaju se u središtima većine galaksija u svemiru, a sada, nova tehnika pomaže znanstvenicima da mjere masu nekih od najvećih crnih rupa u svemiru, čak i kada leže u središtima vrlo slabih, udaljenih galaksija. Novi pristup mogao bi dramatično poboljšati razumijevanje znanstvenika kako se ti behemoti formiraju i razvijaju i kako utječu na evoluciju galaksije.
"Ovo je prvi put da smo dosad izravno izmjerili mase za toliko supermasivne crne rupe", izjavila je Catherine Grier, postdoktorska stipendistica iz Penn Statea, u izjavi Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier je vodio projekt za mjerenje mase velikog broja takozvanih supermasivnih crnih rupa koristeći SDSS podatke. Izvještavala je o rezultatima u utorak (9. siječnja) na sastanku Američkog astronomskog društva u Nacionalnoj luci, Maryland.
"Ova nova mjerenja i buduća mjerenja poput njih pružit će vitalne informacije ljudima koji proučavaju kako galaksije rastu i razvijaju se tijekom kozmičkog vremena", rekao je Grier. [Slike: Crne rupe svemira]
Crne rupe za mjerenje mase
Na temelju desetljeća galaktičkih promatranja, astronomi sada teoretiziraju da srce gotovo svake velike galaksije sadrži supermasivnu crnu rupu (SMBH). Ove monstruozne zvijeri mogu biti milijunima ili milijardama puta masivnije od Zemljinog sunca. Crne rupe ne zrače i ne odražavaju svjetlost, tako da se te SMBH ne mogu vidjeti izravno. No kako gravitacija SMBH crpi prašinu i plin iz okolne galaksije, ona stvara vrtlog diska od materijala koji pada u crnu rupu. Taj se raspadajući materijal zagrijava i počinje zračiti svjetlošću, čineći crnu rupu „vidljivom“ (iako neizravno). U nekim slučajevima svjetlost s ovih diskova postaje jača od svih zvijezda u galaksiji; te nevjerojatno svijetle galaksije tada se nazivaju aktivnim galaktičkim jezgrama (AGN). Najsvjetliji AGN nazivaju se kvazarima koje astronomi mogu vidjeti čitavim putem kroz vidljivi svemir; oni ukazuju na prisutnost supermasivne crne rupe, navodi se u izjavi.
Crne rupe imaju samo tri mjerljiva svojstva - masu, centrifugiranje i punjenje - tako da je izračunavanje mase ogroman dio razumijevanja pojedine crne rupe. U obližnjim galaksijama astronomi mogu promatrati kako se skupine zvijezda i plina kreću oko centra galaktike i koriste te pokrete za zaključivanje mase središnje crne rupe. Ali udaljene galaksije leže tako daleko da teleskopi ne mogu riješiti zvijezde i oblake materijala oko crne rupe, navodi se u saopćenju.
Tehnika poznata kao reverberacijsko mapiranje omogućila je astronomima mjerenje masa ovih vanjskih crnih rupa. Prvo, istraživači uspoređuju svjetlinu plinova koji zrače u vanjskoj regiji galaksije sa svjetlinom plina koji se nalazi u unutrašnjoj regiji galaksije. (Ova unutarnja regija, vrlo blizu crne rupe, poznata je i kao područje kontinuuma). Plin u području kontinuiteta utječe na brzo kretanje plina što dalje. Međutim, svjetlost treba vremena da putuje prema van ili da odjekne, izazivajući odgodu između promjena opaženih u unutarnjoj regiji i njihovog utjecaja na vanjsku regiju. Mjerenje kašnjenja otkriva koliko je vanjski disk plina udaljen od crne rupe. Zajedno sa stopom rotacije oko galaksije, to omogućava astronomima da mjere SMBH masu, rekao je Grier u e-poruci za Space.com.
Ali proces je bolno spor. Da bi se promatrao efekt odzvanjanja, pojedinu galaksiju treba proučavati iznova i iznova nekoliko mjeseci, dok udaljeni kvazar može potrajati nekoliko godina opetovanih opažanja, naveli su istraživači u izjavi. U proteklih 20 godina astronomi su uspjeli upotrijebiti tehniku odjeka za samo oko 60 SMBH u obližnjim galaksijama i nekoliko udaljenih kvazara.
U sklopu Projekta za mapiranje SDS-a, Grier i njezini kolege počeli su mapirati SMBH brže nego što je to prije moguće. Ključ ovog bržeg preslikavanja dolazi od namjenskog teleskopa širokog pogleda koji se nalazi u opservatoriju Apache Point u Sunspotu u Novom Meksiku, koji može istovremeno prikupljati podatke o više kvadrata, navodi Grier. Trenutno promatra mrlje neba koja sadrži oko 850 kvazara.
Istraživači su promatrali kvazare Kanadom-Francuskom-Havajima-teleskopom na Havajima i Teleskopom Steward Observatory Bok u Arizoni kako bi umjerili svoja mjerenja nevjerojatno slabih objekata. Ukupno su sada istraživači izmjerili odgode vremena odjeka za 44 kvazara i pomoću tih mjerenja izračunali su mase crnih rupa u rasponu od 5 milijuna do 1,7 milijardi puta većih od mase Zemlje, navodi se u izjavi.
"Ovo je veliki korak naprijed za kvazarsku znanost", rekao je u izjavi Aaron Barth, profesor astronomije na Kalifornijskom sveučilištu Irvine, koji nije bio uključen u istraživanje tima. "Prvi su put pokazali da se ova teška mjerenja mogu izvršiti u načinu masovne proizvodnje."
Nova mjerenja povećavaju ukupni broj galaktičkih SMBH mjerenja za oko dvije trećine. Kako su mnoge od tih galaksija jako udaljene, nova mjerenja otkrivaju mase SMBH iz daljnjeg vremena, do trenutka kada je svemir bio tek polovina trenutne starosti.
Nastavljajući promatrati 850 kvazara teleskopom SDSS tijekom više godina, tim će gomilati godine podataka koji će im omogućiti mjerenje mase još slabijih kvazara, čija se dulja vremenska odlaganja ne mogu mjeriti s jednom godinom podataka.
"Promatranje kvazara tijekom više godina od presudnog je značaja za postizanje dobrih mjerenja", rekao je Yue Shen, docent na Sveučilištu Illinois i glavni istraživač SDSS Reverberation Mapping Project. "Dok nastavljamo s projektom praćenja sve više kvasara za godine koje dolaze, moći ćemo bolje razumjeti kako supermasivne crne rupe rastu i razvijaju se."
Nakon što se 2020. završi trenutna četvrta faza SDSS-a, započet će peta faza, SDSS-V. SDSS-V sadrži novi program nazvan Map Map Black Hole, u kojem istraživači planiraju izmjeriti mase SMBH u više od 1.000 kvazara, promatrajući slabije i starije kvadrare nego što je ikada upravljao bilo koji projekt kartografije.
"Mapa crne rupe omogućit će nam da se pomaknemo u doba supermasivnog odcjepljenja crnih rupa u pravom industrijskom razmjeru", navodi se u izjavi Niel Brandt, profesor astronomije i astrofizike u državi Penn i dugogodišnji član SDSS-a. "Saznat ćemo više o tim tajanstvenim predmetima nego ikad prije."
