Astronomowie stali się naprawdę dobrzy w ważeniu supermasywnych czarnych dziur

W latach 70. astronomowie doszli do wniosku, że trwałe źródło radiowe pochodzące z centrum naszej galaktyki jest w rzeczywistości supermasywną czarną dziurą (SMBH). Ta czarna dziura, znana dziś jako Sagittarius A*, ma masę ponad 4 milionów mas Słońca i można ją wykryć dzięki promieniowaniu, które emituje na różnych długościach fal. Od tego czasu astronomowie odkryli, że małe, ultramasywne galaktyki znajdują się w centrach większości masywnych galaktyk, a niektóre z nich są znacznie większe od naszej! Z biegiem czasu astronomowie zaobserwowali związki między właściwościami galaktyk a masami małych i średnich obiektów, co sugeruje, że obie ewoluują razem.

za pomocą Grawitacja + narzędzie w Bardzo duży interferometr teleskopowy (VLTI), zespół Instytut Fizyki Pozaziemskiej Maxa Plancka (MPE) niedawno zmierzył klaster SMBH w SDSS J092034.17+065718.0. Galaktyka ta znajdowała się w odległości około 11 miliardów lat świetlnych od naszego Układu Słonecznego, gdy Wszechświat miał zaledwie dwa miliardy lat. Ku ich zaskoczeniu odkryli, że galaktyka SMBH ma skromną masę 320 milionów mas Słońca, czyli znacznie mniej masywną niż jej galaktyka macierzysta. Wyniki te mogą zrewolucjonizować nasze rozumienie związku między galaktykami a czarnymi dziurami w ich centrach.

Związek między właściwościami galaktyki a jej SMBH był wielokrotnie obserwowany we wszechświecie lokalnym. Aby ustalić, czy zawsze była to norma, astronomowie z niecierpliwością czekali na dostrzeżenie galaktyk, które istniały podczas kosmicznego świtu, czyli okresu wkrótce po Wielkim Wybuchu, kiedy powstały pierwsze galaktyki. Jednakże pomiar mas czarnych dziur w tych odległych galaktykach przy użyciu tradycyjnych metod bezpośrednich pozostaje niezwykle trudny (lub nawet niemożliwy), nawet jeśli w grę wchodzą kwazary („obiekty kwazarowe”).

Ta szczególnie jasna klasa galaktyk stanowi podzbiór galaktyk z niezwykle aktywnymi jądrami galaktycznymi (AGN), których jądra chwilowo przyćmią wszystkie gwiazdy w dysku. Na szczęście teleskopy i instrumenty nowej generacji pozwalają astronomom po raz pierwszy dojrzeć te wczesne galaktyki. Obejmuje to interferometr grawitacyjny na pokładzie VLTI, który łączy w sposób interferometryczny światło ze wszystkich czterech 8-metrowych teleskopów Bardzo Dużego Teleskopu ESO, tworząc pojedynczy wirtualny teleskop o średnicy 130 metrów (426,5 stopy).

Dzięki ostatnim aktualizacjom następca instrumentu GRAVITY (GRAVITY+) umożliwia astronomom precyzyjne badanie wzrostu czarnych dziur w kolejnej krytycznej epoce zwanej „kosmicznym południem”, kiedy czarne dziury i galaktyki szybko rosły. „W 2018 roku dokonaliśmy pierwszych oszałamiających pomiarów masy czarnej dziury kwazara za pomocą grawitacji. Jednak ten kwazar był bardzo blisko. Taro Shimizu, naukowiec z Instytutu Fizyki Pozaziemskiej im. Maxa Plancka, powiedział w artykule: Komunikat prasowy MPE: „Teraz doszliśmy do przesunięcia ku czerwieni wynoszącego 2,3, co odpowiada okresowi wstecznemu wynoszącemu 11 miliardów lat”.

Dzięki ulepszonej wydajności możliwej dzięki GRAVITY+ astronomowie mogą przesuwać granice i rejestrować obrazy czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie 40 razy ostrzejsze, niż było to możliwe nawet przy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST). Dzięki pomocy GRAVITY+ zespół był w stanie wykorzystać swoje wcześniejsze obserwacje i przestrzennie określić ruch gazu i pyłu tworzącego dysk akrecyjny wokół centralnej czarnej dziury SDSS J092034.17+065718.0. Umożliwiło im to bezpośredni pomiar masy centralnej czarnej dziury.

Czarna dziura ma masę 320 milionów mas Słońca, czyli jest w rzeczywistości lżejsza od swojej galaktyki macierzystej, która wynosi około 60 miliardów mas Słońca. Sugeruje to, że galaktyka macierzysta rosła szybciej niż duża czarna dziura w jej centrum, co może oznaczać, że w przypadku niektórych galaktyk występuje opóźnienie między wzrostem galaktyki a czarną dziurą. Powiedział Jinyi Shangguan, naukowiec MPE w grupie badawczej:

„Najbardziej prawdopodobnym scenariuszem ewolucji tej galaktyki wydaje się być potężne sprzężenie zwrotne supernowej, podczas którego eksplozje gwiazdowe wyrzucają gaz z centralnych obszarów, zanim dotrze on do czarnej dziury w centrum galaktyki. Ogólne – z wyjątkiem sytuacji, gdy galaktyka staje się wystarczająco masywna, aby zatrzymać zbiornik gazu w swoich centralnych obszarach nawet w przypadku sprzężenia zwrotnego supernowej.

W przyszłości zespół planuje przeprowadzić dalsze obserwacje innych galaktyk w Kosmicznym Południu i dokonać wysokiej rozdzielczości pomiarów centralnych czarnych dziur. Obserwacje te pozwolą ustalić, czy ten brak równowagi mas jest dominującym sposobem koewolucji wczesnych galaktyk i ich małych, średnich galaktyk (SMBH).

Dogłębna lektura: Instytut Fizyki Pozaziemskiej Maxa Plancka