Roterende gas i et Quasars hjerte

Astronomer har billet gas, når det kredser om et supermassivt sort hul omkring 2 milliarder lysår væk.

Dette Hubble-billede viser den gamle og strålende quasar 3C 273, der er bosiddende i en gigantisk elliptisk galakse i stjernebilledet Jomfruen. Det var den første kvasar, der nogensinde blev identificeret. Den overskyede stribe til venstre er en jetskud ud af det centrale sorte hul og strækker sig omkring 200.000 lysår.
ESA / Hubble & NASA

I de sidste par måneder har astronomer, der arbejder med tyngdekraftsinstrumentet på Very Large Telescope Interferometer i Chile, frigivet en række imponerende målinger. Disse resultater inkluderer foreløbige data, der viser en længe efterspurgt tyngdekrafteffekt på en stjerne s lys, da den passerede Mælkevejen s centrale sorte hul. Men det resultat, jeg vil tale om her, involverer et meget større, fjernere sort hul, den 300 millioner solmasse leviathan, der styrker den lyseste næreby quasar, 3C 273.

(Jeg satte i anførselstegn i nærheden, fordi denne aktive galakse i stjernebilledet Jomfru ligger så langt væk, at det har taget ca. 2 milliarder år at nå frem til os.)

Kvasarer ligner i det væsentlige strålende prikker på himlen. Det er galakse-kerner, der brænder lyst på grund af den varme gas, deres supermassive sorte huller slår ned på og brister ud som gigantiske plasma-jetfly. Men takket være en opfindsom tilgang fra Gravity Collaboration, er 3C 273s pinprick nu omdannet til et kort over gas, der bevæger sig lige rundt om det sorte hul, hvor vi udforsker et område, vi hidtil kun har været i stand til at undersøge indirekte med spektre og blinkende lys.

Udnytter den fulde fordel af den frihed, at det at have en dedikeret sorte huller-blog giver mig (wahahaha), vil jeg gerne tage dig med på en dybdyb i Gravity Collaboration's observationer af gassen omkring 3C 273's sorte hul for at forklare den unikke tilgang til dette arbejde involveret.

Skiftende billeder

Som andre kvasarer har 3C 273 et område med varm gas, der zoomer rundt i det sorte huls nærhed, der kaldes bredbåndsregionen . Navnet kommer fra formen på gasens spektrallinjer, der er smurt ud. Under normale omstændigheder er en spektral linje en smal ting - en enkelt bølgelængde. Men når gassen bevæger sig, skifter spektrallinjen: til længere, rødere bølgelængder, hvis gassen bevæger sig væk fra os, og til blåere, kortere bølgelængder, hvis bevægelsen er mod os. Denne Doppler-effekt er den samme grund, at en ambulancesiren kaskader gennem lydspektret, når den løber forbi dig.

Hvis du kunne kombinere alle de noter, du hører, når ambulancen passerer, ville du høre en bred lyd med flere toner, hvor den centrale note er sirens faktiske eller “hvilefrekvens”. Det samme sker med bevægelig gas, hvilket skaber en udvidet spektrallinie.

Mængden af ​​udtværing fortæller os, hvor hurtigt gassen bevæger sig. Gas, der kredser tæt på et sort hul, kan bevæge sig hurtigere rundt om dyret end gas længere ude, ligesom de indre planeter i solsystemet kredser rundt solen på et hurtigere klip end de ydre. Baseret på udstrygningen antyder astronomer, at BLR er et af de nærmeste regioner til det sorte hul, som vi kan registrere.

Observatører bruger BLR som en diagnose, hvilket indikerer ting som det sorte huls masse. Men selvom BLR er centralt for kvasarundersøgelser, ved astronomer faktisk ikke, hvordan det ser ud. Er det den indre del af en disk omkring det sorte hul? Er det en glorie af susende skyer?

Tidligere undersøgelser har løst dette spørgsmål ved at udlede gasens bevægelse og størrelse fra spektrale mønstre eller lysets rejsetid over regionen. Rapportering i 29. november Nature, Gravity Collaboration har nu taget en helt anden tilgang til at studere BLR ved hjælp af uskarpe billeder af selve gassen.

Udsigt over de fire 8, 2 meter lange VLT-teleskoper ved Paranal-observatoriet i Chile.
ESO

Holdet parrede VLT's fire omfang på seks forskellige måder. Hvert par teleskoper adskilles med en unik afstand, og deres kombinerede data skaber et billede med den samme opløsning, som du ville få ved hjælp af et teleskop så bredt som scopes 'adskillelse. Teleskoper tættere sammen ser det store, bredbørste billede, mens teleskoper længere fra hinanden er i finere detaljer.

Men turbulens i atmosfæren vinkler billedet lidt. Hvert teleskoppar ser et lidt anderledes skift i hvor billedets centrum er, forklarer Gravity-teammedlem Jason Dexter (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Tyskland). Centrets placering ændres også afhængigt af hvilken bølgelængde astronomerne observerer.

I stedet for at tage disse skift som forvirring, der skal overvindes, har forskerne brugt kompleksiteten til deres fordel. Nøglen er, at når det drejer sig om BLR's gas, svarer hver bølgelængde til en rødskift eller blåskift forårsaget af gasens hastighed. Ved at måle, hvordan billedet skifter ved en række forskellige bølgelængder, kunne astronomerne se, hvor i billedet der var ting, der kørte med hastigheden og i den retning, der svarer til det Doppler-skift. Så selvom Gravity kun ser et sløret billede, ved at spore, hvordan midten af ​​den slør ændrer position fra bølgelængde til bølgelængde, kan teamet rekonstruere, hvordan den slørede gas bevæger sig rundt om det sorte hul.

Bevis for rotation

Dette diagram viser den primære geometri for det brede linieområde (BLR) i kvasaren 3C 273. De individuelle skyer er fordelt i en tyk ring (grønt skraveret område) og roterer omkring det centrale sorte hul. Astronomerne på Jorden ser dette system i en lille vinkel (i).
© GRAVITY Samarbejde

Denne kortlægning afslører, at den ene side af BLR-glødet bevæger sig mod os, den anden væk, ligesom man kunne forvente, hvis gassen roterer. Mønsteret matcher det, du måske kan se, hvis gassen beboer en opblæst disk, med skyer, der kredser rundt i en række tilbøjeligheder til vores synslinje. Desuden roterer gassen rundt om den akse, der trækkes af det sorte huls kraftige stråle, hvilket er nøjagtigt, hvad der skal ske, hvis gassen roterer rundt om det sorte hul.

Ingen har været i stand til tydeligt at vise denne retning mod-og-væk bevægelse i BLRs spektre før. Det har været et af de store mysterier ved denne gas, siger Dexter: Før kunne astronomer kun se en "uovertruffen klump", en stor, fedtemissionslinje uden klart mønster i gasens bevægelse. Gravitys data viser, at gassen faktisk roterer.

Nu hvor de kan se (hvis kun vagt) strukturen, kan forskere estimere, hvor stor BLR er. Størrelsen, ca. 145 lysdage, er inden for området fra tidligere skøn, men på den lille side.

Detaljer til side, her er afhentningen: Vi ser faktisk gas, der kredser rundt om et gigantisk sort hul mere end en milliard lysår fra Jorden.

Hvorfor betyder denne bragde noget? BLR giver astronomer mulighed for at studere, hvad der sker i nærheden af ​​supermassive sorte huller. Jo bedre vi forstår gasens bevægelse og størrelsen på det område, den bevæger sig gennem, jo ​​bedre vil vi forstå, hvordan disse sorte huller føder, og hvordan de driver kvasarer.

Reference: Gravity Collaboration. “Rumligt opløst rotation af bredbredsområdet i en kvasar i sub-parsec-skala.” Natur . 29. november 2018.