Sinds de ontdekking van Boogschutter A * in het centrum van ons sterrenstelsel, zijn astronomen gaan begrijpen dat de meeste massieve sterrenstelsels een superzwaar zwart gat (SMBH) als kern hebben. Dit wordt bewezen door de krachtige elektromagnetische emissies die worden geproduceerd aan de kernen van deze sterrenstelsels - die bekend staan als "Actieve Galatische Kernen" (AGN) - waarvan wordt aangenomen dat ze worden veroorzaakt door gas en stof dat op de SMBH terechtkomt.
Al tientallen jaren bestuderen astronomen het licht van AGN's om te bepalen hoe groot en massief hun zwarte gaten zijn. Dit was moeilijk omdat dit licht onderhevig is aan het Doppler-effect, waardoor de spectraallijnen zich verbreden. Maar dankzij een nieuw model dat is ontwikkeld door onderzoekers uit China en de VS, kunnen astronomen deze Broad Line Regions (BLR's) mogelijk bestuderen en nauwkeurigere schattingen maken over de massa van zwarte gaten.
De studie, "Tidally disrupted dusty clumps as the origin of brede emissielijnen in actieve galactische kernen", verscheen onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift. Natuur. De studie werd geleid door Jian-Min Wang, een onderzoeker van het Institute of High Energy Physics (IHEP) van de Chinese Academie van Wetenschappen, met hulp van de University of Wyoming en de University of Nanjing.
Om het af te breken, staan SMBH's bekend om een torus van gas en stof die hen omringt. De zwaartekracht van het zwarte gat versnelt het gas in deze torus tot snelheden van duizenden kilometers per seconde, waardoor het opwarmt en straling uitzendt op verschillende golflengten. Deze energie overtrof uiteindelijk het hele omringende sterrenstelsel, waardoor astronomen de aanwezigheid van een SMBH kunnen bepalen.
Zoals Michael Brotherton, een UW-professor in de afdeling Fysica en Astronomie en een co-auteur van het onderzoek, in een UW-persbericht uitlegde:
'Mensen denken:' Het is een zwart gat. Waarom is het zo helder? 'Een zwart gat is nog steeds donker. De schijven bereiken zulke hoge temperaturen dat ze straling uitzenden over het elektromagnetische spectrum, waaronder gammastraling, röntgenstralen, UV-, infrarood- en radiogolven. Het zwarte gat en het omringende gas dat het zwarte gat voedt, is brandstof die de quasar aanzet. '
Het probleem met het waarnemen van deze heldere gebieden komt voort uit het feit dat de gassen erin zo snel in verschillende richtingen bewegen. Terwijl weg bewegend gas (relatief ten opzichte van ons) naar het rode uiteinde van het spectrum wordt verschoven, wordt gas dat naar ons toe beweegt naar het blauwe uiteinde verschoven. Dit is wat leidt tot een breedtelijngebied, waar het spectrum van het uitgezonden licht meer een spiraal wordt, waardoor nauwkeurige metingen moeilijk te verkrijgen zijn.
Momenteel berust de meting van de massa van SMBH's in actieve galactische kernen op de 'nagalmtechniek'. Kort gezegd gaat het erom computermodellen te gebruiken om de symmetrische spectraallijnen van een BLR te onderzoeken en de tijdsvertragingen daartussen te meten. Aangenomen wordt dat deze lijnen afkomstig zijn van gas dat is gefotioniseerd door de zwaartekracht van de SMBH.
Aangezien er echter weinig inzicht is in brede emissielijnen en de verschillende componenten van BLR's, geeft deze methode aanleiding tot enige onzekerheden tussen 200 en 300%. "We proberen meer gedetailleerde vragen te krijgen over spectrale breedtelijnregio's die ons helpen bij het diagnosticeren van de massa van het zwarte gat", zei Brotherton. "Mensen weten niet waar deze brede emissielijnregio's vandaan komen of wat de aard van dit gas is."
Het team onder leiding van Dr. Wang nam daarentegen een nieuw type computermodel aan dat rekening hield met de dynamiek van de gasturbus rond een SMBH. Ze veronderstellen dat deze torus zou bestaan uit afzonderlijke klonten materie die door het zwarte gat netjes zouden worden verstoord, waardoor er wat gas in zou stromen (oftewel er op zou kunnen groeien) en sommige zouden worden uitgestoten als uitstroom.
Hieruit ontdekten ze dat de emissielijnen in een BLR onderhevig zijn aan drie kenmerken: "asymmetrie", "vorm" en "verschuiving". Na onderzoek van verschillende emissielijnen - zowel symmetrisch als asymmetrisch - ontdekten ze dat deze drie kenmerken sterk afhankelijk waren van hoe helder de gasklonten waren, die ze interpreteerden als een gevolg van de bewegingshoek in de torus. Of zoals Dr. Brotherton het uitdrukte:
'Wat we voorstellen is dat deze stoffige bosjes in beweging zijn. Sommigen slaan tegen elkaar aan en versmelten en veranderen de snelheid. Misschien gaan ze naar de quasar, waar het zwarte gat leeft. Een deel van de bosjes komt uit het brede lijngebied. Sommigen worden eruit geschopt. '
Uiteindelijk suggereert hun nieuwe model dat netjes verstoorde klonten materie van een torus met een zwart gat de bron van het BLR-gas kunnen vertegenwoordigen. Vergeleken met eerdere modellen brengt degene die door Dr. Wang en zijn collega's is bedacht een verbinding tot stand tussen verschillende sleutelprocessen en componenten in de buurt van een SMBH. Deze omvatten de toevoer van het zwarte gat, de bron van foto-geïoniseerd gas en de stoffige torus zelf.
Hoewel dit onderzoek niet alle mysteries rond AGN's oplost, is het een belangrijke stap naar het verkrijgen van nauwkeurige massaschattingen van SMBH's op basis van hun spectraallijnen. Hieruit zouden astronomen nauwkeuriger kunnen bepalen welke rol deze zwarte gaten speelden in de evolutie van grote sterrenstelsels.
De studie is mogelijk gemaakt dankzij de steun van het National Key Program for Science and Technology Research and Development en het Key Research Program of Frontier Sciences, die beide worden beheerd door de Chinese Academy of Sciences.
