Deze afbeelding toont een artistieke weergave van de binnenste regionen van een quasar, aangedreven door een superzwaar zwart gat in het midden. Terwijl de schijf van gas en stof in het zwarte gat valt, creëren de hoge temperaturen licht. Verschillen in dit licht kunnen astronomen helpen de massa van het zwarte gat te meten.
(Afbeelding: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / SDSS-samenwerking)
Monsterzwarte gaten verbergen zich in de centra van de meeste sterrenstelsels in het universum, en nu helpt een nieuwe techniek wetenschappers om de massa van enkele van de grootste zwarte gaten in het universum te meten, zelfs als ze in het centrum van zeer zwakke, verre sterrenstelsels. De nieuwe benadering zou het inzicht van wetenschappers over hoe deze kolossen zich vormen en evolueren, en hoe ze de evolutie van sterrenstelsels beïnvloeden, drastisch kunnen verbeteren.
"Dit is de eerste keer dat we massa's hebben gemeten voor zoveel superzware zwarte gaten tot nu toe", zei Catherine Grier, een postdoctoraal onderzoeker bij Penn State, in een verklaring van de Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier leidde een project om de massa van een schat aan zogenaamde superzware zwarte gaten te meten met behulp van SDSS-gegevens. Ze rapporteerde de resultaten dinsdag (9 januari) tijdens de bijeenkomst van de American Astronomical Society in National Harbor, Maryland.
"Deze nieuwe metingen, en toekomstige metingen zoals deze, zullen essentiële informatie opleveren voor mensen die bestuderen hoe sterrenstelsels groeien en evolueren in de kosmische tijd", zei Grier. [Afbeeldingen: zwarte gaten van het heelal]
Massa-meting van zwarte gaten
Gebaseerd op decennia van galactische waarnemingen, theoretiseren astronomen nu dat het hart van bijna elk groot sterrenstelsel een superzwaar zwart gat (SMBH) bevat. Deze monsterlijke beesten kunnen miljoenen of miljarden keren zwaarder zijn dan de zon van de aarde. Zwarte gaten stralen of reflecteren geen licht, dus deze SMBH's zijn niet direct te zien. Maar als de zwaartekracht van een SMBH stof en gas uit het omringende sterrenstelsel trekt, ontstaat er een wervelende schijf van materiaal die in het zwarte gat valt. Dat onfeilbare materiaal warmt op en begint licht uit te stralen, waardoor het zwarte gat 'zichtbaar' wordt (zij het indirect). In sommige gevallen wordt het licht van deze schijven helderder dan alle sterren in de melkweg; deze ongelooflijk heldere sterrenstelsels worden dan actieve galactische kernen (AGN) genoemd. De helderste AGN worden quasars genoemd, die astronomen helemaal door het zichtbare heelal kunnen zien; ze geven de aanwezigheid aan van een superzwaar zwart gat, volgens de verklaring.
Zwarte gaten hebben slechts drie meetbare eigenschappen - massa, spin en lading - dus het berekenen van de massa is een groot deel van het begrijpen van een individueel zwart gat. In nabije sterrenstelsels kunnen astronomen observeren hoe groepen sterren en gas door het galactische centrum bewegen en die bewegingen gebruiken om de massa van het centrale zwarte gat af te leiden. Maar verre sterrenstelsels liggen zo ver weg dat telescopen de sterren en wolken van materiaal rond het zwarte gat niet kunnen oplossen, aldus de verklaring.
Een techniek die bekend staat als nagalmkartering heeft het voor astronomen mogelijk gemaakt om de massa van deze afgelegen zwarte gaten te meten. Ten eerste vergelijken onderzoekers de helderheid van het uitstralende gas in het buitenste deel van de melkweg met de helderheid van het gas in het binnenste deel van de melkweg. (Dit binnenste gebied, heel dicht bij het zwarte gat, staat bekend als het continuümgebied). Het gas in het continuümgebied beïnvloedt het snel bewegende gas verder naar buiten. Licht heeft echter tijd nodig om naar buiten te reizen of te weerkaatsen, waardoor er een vertraging ontstaat tussen de veranderingen die in het binnengebied worden gezien en hun effect op het buitengebied. Door de vertraging te meten, wordt duidelijk hoe ver de buitenste gasschijf van het zwarte gat verwijderd is. In combinatie met de rotatiesnelheid rond de melkweg, kunnen astronomen hiermee de massa van de SMBH meten, vertelde Grier in een e-mail aan Space.com.
Maar het proces is pijnlijk langzaam. Om het nagalmeffect te observeren, moet een individueel sterrenstelsel enkele maanden lang steeds opnieuw worden bestudeerd, terwijl verre quasars meerdere jaren van herhaalde observaties kunnen vergen, aldus onderzoekers in de verklaring. In de afgelopen 20 jaar zijn astronomen erin geslaagd om de nagalmtechniek te gebruiken voor slechts ongeveer 60 SMBH's in nabijgelegen sterrenstelsels en een handvol verre quasars.
Als onderdeel van het SDSS Reverberation Mapping Project zijn Grier en haar collega's begonnen met het sneller in kaart brengen van SMBH's dan voorheen mogelijk was. De sleutel tot deze snellere mapping komt van de speciale breedbeeldtelescoop van het project, gelegen op het Apache Point Observatory in Sunspot, New Mexico, die volgens Grier tegelijkertijd gegevens over meerdere quasars kan verzamelen. Momenteel observeert het een stukje hemel met ongeveer 850 quasars.
De onderzoekers observeerden de quasars met de Canada-Frankrijk-Hawaii-telescoop in Hawaï en de Steward Observatory Bok-telescoop in Arizona om hun metingen van de ongelooflijk zwakke objecten te kalibreren. In totaal hebben de onderzoekers nu nagalmvertragingen gemeten voor 44 quasars, en ze gebruikten die metingen om massa's van zwarte gaten te berekenen, variërend van 5 miljoen tot 1,7 miljard keer de massa van de zon van de aarde, volgens de verklaring.
"Dit is een grote stap voorwaarts voor quasar-wetenschap", zei Aaron Barth, professor in de astronomie aan de Universiteit van Californië, Irvine, die niet betrokken was bij het onderzoek van het team, in de verklaring. "Ze hebben voor het eerst aangetoond dat deze moeilijke metingen in massaproductie kunnen worden uitgevoerd."
De nieuwe metingen verhogen het totale aantal galactische SMBH-massametingen met ongeveer tweederde. Omdat veel van die sterrenstelsels erg ver weg zijn, onthullen de nieuwe metingen SMBH-massa's van verder terug in de tijd, tot het heelal nog maar de helft van zijn huidige leeftijd was.
Door de 850 quasars met de SDSS-telescoop gedurende meerdere jaren te blijven observeren, zal het team jaren aan gegevens verzamelen waarmee ze de massa's van nog zwakkere quasars kunnen meten, waarvan langere vertragingen niet kunnen worden gemeten met een enkel jaar aan gegevens.
"Het verkrijgen van observaties van quasars over meerdere jaren is cruciaal om goede metingen te verkrijgen", zegt Yue Shen, assistent-professor aan de Universiteit van Illinois en hoofdonderzoeker van het SDSS Reverberation Mapping Project. "Terwijl we ons project voortzetten om de komende jaren steeds meer quasars te monitoren, zullen we beter kunnen begrijpen hoe superzware zwarte gaten groeien en evolueren."
Nadat de huidige vierde fase van de SDSS eindigt in 2020, begint de vijfde fase, SDSS-V. SDSS-V heeft een nieuw programma genaamd de Black Hole Mapper, waarin onderzoekers van plan zijn de SMBH-massa's te meten in meer dan 1.000 quasars, waarbij ze zwakkere en oudere quasars observeren dan welk project voor nagalmkartering dan ook.
"Met de Black Hole Mapper kunnen we het tijdperk van superzware black hole-nagalmkartering op echte industriële schaal betreden", zei Niel Brandt, een professor in astronomie en astrofysica aan Penn State en al lang lid van de SDSS, in de verklaring. 'We leren meer over deze mysterieuze objecten dan ooit tevoren.'
