Het waarneembare heelal is een extreem grote plaats, met een geschatte diameter van 91 miljard lichtjaar. Als gevolg hiervan moeten astronomen vertrouwen op krachtige instrumenten om verre objecten te zien. Maar zelfs deze zijn soms beperkt en moeten worden gecombineerd met een techniek die bekend staat als gravitationele lensing. Dit houdt in dat je moet vertrouwen op een grote verspreiding van materie (een sterrenstelsel of ster) om het licht dat van een ver verwijderd object komt te vergroten.
Met behulp van deze techniek kon een internationaal team onder leiding van onderzoekers van het California Institute of Technology (Caltech) Owens Valley Radio Observatory (OVRO) stralen heet gas uit een superzwaar zwart gat in een ver sterrenstelsel (bekend als PKS 1413 +) waarnemen 135). De ontdekking gaf tot nu toe het beste beeld van de soorten heet gas die vaak worden gedetecteerd vanuit de centra van superzware zwarte gaten (SMBH).
De onderzoeksresultaten zijn beschreven in twee onderzoeken die zijn gepubliceerd in het nummer van 15 augustus The Astrophysical Journal. Beiden werden geleid door Harish Vedantham, een Caltech Millikan Postdoctoral Scholar, en maakten deel uit van een internationaal project onder leiding van Anthony Readhead - de Robinson Professor of Astronomy, Emeritus, en directeur van de OVRO.
Dit OVRO-project is sinds 2008 actief en heeft tweemaal per week waarnemingen gedaan van ongeveer 1.800 actieve SMBH's en hun respectievelijke sterrenstelsels met behulp van de 40-meter telescoop. Deze waarnemingen zijn uitgevoerd ter ondersteuning van NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope, die in dezelfde periode soortgelijke onderzoeken heeft uitgevoerd naar deze sterrenstelsels en hun SMBH's.
Zoals het team in hun twee onderzoeken aangaf, hebben deze waarnemingen nieuw inzicht gegeven in de klonten materie die periodiek worden uitgestoten uit superzware zwarte gaten, en nieuwe mogelijkheden geopend voor onderzoek naar zwaartekrachtlenzen. Zoals Dr. Vedantham in een recent persbericht van Caltech aangaf:
“We zijn op de hoogte van het bestaan van deze klonten materiaal die langs zwarte gatenstralen stromen en dat ze dicht bij de lichtsnelheid komen, maar er is niet veel bekend over hun interne structuur of hoe ze worden gelanceerd. Met lenssystemen zoals deze kunnen we de bosjes dichter bij de centrale motor van het zwarte gat zien en veel gedetailleerder dan voorheen. ”
Hoewel wordt aangenomen dat alle grote sterrenstelsels een SMBH in het centrum van hun sterrenstelsel hebben, vergezellen niet alle stralen heet gas hen. De aanwezigheid van dergelijke stralen wordt geassocieerd met wat bekend staat als een Active Galactic Nucleus (AGN), een compact gebied in het centrum van een sterrenstelsel dat bijzonder helder is in veel golflengten - waaronder radio, magnetron, infrarood, optisch, ultraviolet, Röntgen- en gammastraling.
Deze jets zijn het resultaat van materiaal dat naar een SMBH wordt getrokken, waarvan een deel wordt uitgestoten in de vorm van heet gas. Materiaal in deze stromen reist met bijna de lichtsnelheid en de stromen zijn actief gedurende perioden van 1 tot 10 miljoen jaar. Terwijl de jets meestal relatief consistent zijn, spuwen ze om de paar jaar extra klonten hete materie uit.
In 2010 merkten de OVRO-onderzoekers op dat de radio-emissies van PKS 1413 + 135 in de loop van een jaar waren opgehelderd, vervaagd en vervolgens weer helderder waren geworden. In 2015 merkten ze hetzelfde gedrag op en voerden ze een gedetailleerde analyse uit. Nadat ze andere mogelijke verklaringen hadden uitgesloten, kwamen ze tot de conclusie dat de algehele verheldering waarschijnlijk werd veroorzaakt door twee snelle klonten materiaal die uit het zwarte gat werden gestoten.
Deze bosjes reisden langs de jet en werden vergroot toen ze achter de zwaartekrachtlens passeerden die ze gebruikten voor hun waarnemingen. Deze ontdekking was vrij toevallig en het resultaat van vele jaren astronomisch onderzoek. Zoals Timothy Pearson, een senior onderzoekswetenschapper bij Caltech en een co-auteur op het papier, uitlegde:
“Er zijn waarnemingen gedaan van een groot aantal sterrenstelsels om dit ene object te vinden met de symmetrische dalingen in helderheid die wijzen op de aanwezigheid van een zwaartekrachtlens. We zijn nu hard op zoek naar al onze andere gegevens om te proberen vergelijkbare objecten te vinden die een vergroot beeld kunnen geven van galactische kernen. ”
Wat ook opwindend was aan de observaties van het internationale team was de aard van de "lens" die ze gebruikten. In het verleden vertrouwden wetenschappers op massieve lenzen (d.w.z. hele sterrenstelsels) of microlenzen die uit enkele sterren bestonden. Het team onder leiding van Dr. Vedantham en Dr. Readhead vertrouwde echter op wat zij omschrijven als een "millilens" van ongeveer 10.000 zonsmassa's.
Dit zou de eerste studie in de geschiedenis kunnen zijn die vertrouwde op een lens van gemiddelde grootte, die volgens hen waarschijnlijk een sterrenhoop is. Een van de voordelen van een lens van milli-formaat is dat deze niet groot genoeg is om de hele lichtbron te blokkeren, waardoor het gemakkelijker is om kleinere objecten te spotten. Met dit nieuwe zwaartekrachtlenssysteem wordt geschat dat astronomen klonten kunnen observeren op schalen die ongeveer 100 keer kleiner zijn dan voorheen. Zoals Readhead uitlegde:
"De bosjes die we zien liggen heel dicht bij het centrale zwarte gat en zijn klein - slechts een paar lichtdagen in doorsnee. We denken dat deze kleine componenten die met de snelheid van het licht bewegen, worden vergroot door een zwaartekrachtlens in het spiraalstelsel op de voorgrond. Dit levert een voortreffelijke resolutie op van een miljoenste boogseconde, wat overeenkomt met het bekijken van een zoutkorrel op de maan vanaf de aarde. ”
Bovendien geven de onderzoekers aan dat de lens zelf wetenschappelijk interessant is, om de simpele reden dat er niet veel bekend is over objecten in dit massabereik. Deze potentiële sterrenhoop zou daarom kunnen dienen als een soort laboratorium, waardoor onderzoekers de kans krijgen om gravitational milli-lensing te bestuderen en tegelijkertijd een duidelijk beeld te geven van de nucleaire stralen die uit actieve galactische kernen stromen.
Vooruitblikkend hoopt het team de resultaten van hun studies te bevestigen met een andere techniek die bekend staat als Very-Long Baseline Interferometry (VLBI). Hierbij zullen radiotelescopen van over de hele wereld gedetailleerde beelden maken van PKS 1413 + 135 en de SMBH in het midden. Gezien wat ze tot nu toe hebben waargenomen, is het waarschijnlijk dat deze SMBH over een paar jaar (tegen 2020) een nieuwe massa materie uitspuugt.
Vedantham, Readhead en hun collega's zijn van plan klaar te zijn voor dit evenement. Het spotten van deze volgende klomp zou niet alleen hun recente studies valideren, maar ook de millilens-techniek die ze gebruikten om hun waarnemingen uit te voeren. Zoals Readhead aangaf: "We zouden dergelijke studies niet kunnen doen zonder een universitair observatorium zoals het Owens Valley Radio Observatory, waar we de tijd hebben om een grote telescoop uitsluitend aan één programma te wijden."
De studies zijn mogelijk gemaakt dankzij financiering van NASA, de National Science Foundation (NSF), het Smithsonian Institution, de Academia Sinica, de Academie van Finland en het Chileense Centro de Excelencia en Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA).
