Wie Astronomen messen Monster Black Hole Massen schneller als je zuvor

Schwarze Monsterlöcher verstecken sich in den Zentren der meisten Galaxien im Universum, und jetzt hilft eine neue Technik Wissenschaftlern, die Masse einiger der größten schwarzen Löcher im Universum zu messen, selbst wenn sie in den Zentren sehr schwacher, ferner Sterne liegen Galaxien. Der neue Ansatz könnte das Wissen der Wissenschaftler darüber, wie sich diese Giganten formen und entwickeln, und wie sie die Evolution der Galaxien beeinflussen, dramatisch verbessern.

"Dies ist das erste Mal, dass wir Massen für so viele supermassereiche Schwarze Löcher direkt messen können", sagte Catherine Grier, Postdoktorandin bei Penn State, in einer Stellungnahme des Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier leitete ein Projekt, um die Massen einer Fülle von sogenannten supermassiven Schwarzen Löchern mit SDSS-Daten zu messen. Sie berichtete die Ergebnisse am Dienstag (9. Januar) beim Treffen der American Astronomical Society in National Harbor, Maryland.

"Diese neuen Messungen und zukünftige Messungen wie diese werden wichtige Informationen für Menschen liefern, die studieren, wie Galaxien während der kosmischen Zeit wachsen und sich entwickeln", sagte Grier. [Bilder: Schwarze Löcher des Universums]

Masse-messende schwarze Löcher

Basierend auf jahrzehntelangen galaktischen Beobachtungen theoretisieren Astronomen, dass das Herz von fast jeder großen Galaxie ein supermassives Schwarzes Loch (SMBH) enthält. Diese monströsen Bestien können Millionen oder Milliarden mal massiver sein als die Sonne der Erde. Schwarze Löcher strahlen nicht aus oder reflektieren kein Licht, so dass diese SMBHs nicht direkt gesehen werden können. Aber während die Schwerkraft eines SMBH Staub und Gas aus der umgebenden Galaxie ansaugt, erzeugt es eine wirbelnde Scheibe aus Material, das in das Schwarze Loch fällt. Dieses einfallende Material erwärmt sich und beginnt, Licht auszustrahlen, wodurch das schwarze Loch "sichtbar" wird (wenn auch indirekt). In einigen Fällen wird das Licht von diesen Scheiben heller als alle Sterne in der Galaxie; Diese unglaublich hellen Galaxien heißen dann aktive Galaxienkerne (AGN). Die hellsten AGN werden Quasare genannt, die Astronomen den ganzen Weg durch das sichtbare Universum sehen können; Sie weisen auf die Anwesenheit eines supermassiven schwarzen Lochs hin.

Schwarze Löcher haben nur drei messbare Eigenschaften - Masse, Spin und Ladung -, also ist die Berechnung der Masse ein großer Teil des Verständnisses eines einzelnen Schwarzen Lochs. In nahen Galaxien können Astronomen beobachten, wie sich Gruppen von Sternen und Gas um das galaktische Zentrum bewegen und diese Bewegungen verwenden, um die Masse des zentralen Schwarzen Lochs abzuleiten. Aber entfernte Galaxien liegen so weit weg, dass Teleskope die Sterne und Materialwolken um das Schwarze Loch nicht auflösen können, so die Aussage.

Eine Technik, die als Nachhall-Mapping bekannt ist, hat es Astronomen ermöglicht, die Massen dieser äußeren schwarzen Löcher zu messen. Zuerst vergleichen Forscher die Helligkeit des strahlenden Gases in der äußeren Region der Galaxie mit der Helligkeit des Gases, das in der inneren Region der Galaxie gefunden wird. (Diese innere Region, sehr nahe am Schwarzen Loch, ist als Kontinuumsregion bekannt). Das Gas im Kontinuumsbereich beeinflusst das sich schnell bewegende Gas weiter außen. Licht braucht jedoch Zeit, um sich nach außen zu bewegen oder nachzuahmen, was zu einer Verzögerung zwischen den im inneren Bereich gesehenen Änderungen und ihrer Auswirkung auf den äußeren Bereich führt. Die Messung der Verzögerung zeigt, wie weit die äußere Gasscheibe vom schwarzen Loch entfernt ist. In Verbindung mit seiner Rotationsrate um die Galaxie ermöglicht dies Astronomen, die Masse des SMBH zu messen, teilte Grier ProfoundSpace.org in einer E-Mail mit.

Aber der Prozess ist schmerzhaft langsam. Um den Nachhall-Effekt zu beobachten, muss eine einzelne Galaxie für mehrere Monate immer wieder untersucht werden, während entfernte Quasare mehrere Jahre wiederholte Beobachtungen benötigen, sagten Forscher in der Aussage. In den letzten 20 Jahren gelang es Astronomen, die Nachhalltechnik für nur etwa 60 SMBHs in nahen Galaxien und eine Handvoll entfernter Quasare zu verwenden.

Im Rahmen des SDSS Reverberation Mapping Project haben Grier und ihre Kollegen begonnen, SMBHs schneller als bisher zu kartieren. Der Schlüssel zu dieser schnelleren Kartierung liegt in dem speziellen Weitblickteleskop des Projekts, das sich am Apache Point Observatory in Sunspot, New Mexico, befindet, das laut Grier gleichzeitig Daten zu mehreren Quasaren sammeln kann. Es beobachtet derzeit einen Teil des Himmels, der etwa 850 Quasare enthält.

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Die Forscher beobachteten die Quasare mit dem Kanada-Frankreich-Hawaii-Teleskop in Hawaii und dem Bok-Teleskop des Steward Observatory in Arizona, um ihre Messungen der unglaublich schwachen Objekte zu kalibrieren. Insgesamt haben die Forscher jetzt Nachhallzeitverzögerungen für 44 Quasare gemessen und diese Messungen verwendet, um schwarze Lochmassen zu berechnen, die zwischen 5 Millionen und 1,7 Milliarden Mal der Masse der Erdsonne entsprechen, so die Aussage.

"Dies ist ein großer Fortschritt für die Quasar-Wissenschaft", sagte Aaron Barth, Professor für Astronomie an der Universität von Kalifornien, Irvine, der nicht in die Forschung des Teams involviert war. "Sie haben zum ersten Mal gezeigt, dass diese schwierigen Messungen im Massenproduktionsmodus durchgeführt werden können."

Die neuen Messungen erhöhen die Gesamtzahl der galaktischen SMBH-Massenmessungen um etwa zwei Drittel. Da viele dieser Galaxien sehr weit entfernt sind, zeigen die neuen Messungen SMBH-Massen von weiter zurück in der Zeit, als das Universum nur die Hälfte seines aktuellen Alters war.

Durch die weitere Beobachtung der 850 Quasare mit dem SDSS-Teleskop über mehrere Jahre wird das Team Jahre Daten sammeln, die es ihnen ermöglichen werden, die Massen von noch schwächeren Quasaren zu messen, deren längere Zeitverzögerungen nicht mit einem Jahr Daten gemessen werden können.

"Die Beobachtung von Quasaren über mehrere Jahre hinweg ist entscheidend, um gute Messungen zu erhalten", sagte Yue Shen, Assistenzprofessor an der Universität von Illinois und Hauptforscher des SDSS Reverberation Mapping Project. "Wenn wir unser Projekt zur Überwachung von mehr und mehr Quasaren für die kommenden Jahre fortführen, werden wir besser verstehen können, wie supermassive Schwarze Löcher wachsen und sich weiterentwickeln."

Nach dem Ende der laufenden vierten Phase des SDSS 2020 wird die fünfte Phase, SDSS-V, beginnen. SDSS-V verfügt über ein neues Programm namens "Black Hole Mapper", in dem Forscher die SMBH-Massen in mehr als 1.000 Quasaren messen wollen, indem sie schwächere und ältere Quasare beobachten, als jemals ein Reverber-Mapping-Projekt.

"Der Black Hole Mapper wird uns in das Zeitalter der supermassiven Hall-Reverb-Kartierung im industriellen Maßstab versetzen", sagte Niel Brandt, Professor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State und langjähriges Mitglied des SDSS, in der Erklärung. "Wir werden mehr über diese mysteriösen Objekte erfahren als je zuvor."