Dieses Bild zeigt die Darstellung eines Künstlers der inneren Regionen eines Quasars, der von einem supermassiven Schwarzen Loch in der Mitte angetrieben wird. Wenn die Gas- und Staubscheibe in das Schwarze Loch fällt, erzeugen die hohen Temperaturen Licht. Unterschiede in diesem Licht können Astronomen helfen, die Masse des Schwarzen Lochs zu messen.
(Bild: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / SDSS-Zusammenarbeit)
Monster-Schwarze Löcher verstecken sich in den Zentren der meisten Galaxien im Universum, und jetzt hilft eine neue Technik Wissenschaftlern dabei, die Masse einiger der größten Schwarzen Löcher im Universum zu messen, selbst wenn sie in den Zentren sehr schwacher, entfernter Gebiete liegen Galaxien. Der neue Ansatz könnte das Verständnis der Wissenschaftler, wie sich diese Giganten bilden und entwickeln und wie sie die Galaxienentwicklung beeinflussen, dramatisch verbessern.
"Dies ist das erste Mal, dass wir Massen für so viele supermassereiche Schwarze Löcher in der Ferne direkt gemessen haben", sagte Catherine Grier, Postdoktorandin am Penn State, in einer Erklärung des Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier leitete ein Projekt zur Messung der Masse einer Vielzahl sogenannter supermassiver Schwarzer Löcher anhand von SDSS-Daten. Sie berichtete über 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 untersuchen, wie Galaxien während der kosmischen Zeit wachsen und sich entwickeln", sagte Grier. [Bilder: Schwarze Löcher des Universums]
Schwarze Löcher massenmessen
Basierend auf jahrzehntelangen galaktischen Beobachtungen theoretisieren Astronomen nun, dass das Herz fast jeder großen Galaxie ein supermassives Schwarzes Loch (SMBH) enthält. Diese monströsen Bestien können millionen- oder milliardenfach massereicher sein als die Sonne der Erde. Schwarze Löcher strahlen oder reflektieren kein Licht, so dass diese SMBHs nicht direkt gesehen werden können. Da die Schwerkraft eines SMBH Staub und Gas aus der umgebenden Galaxie ansaugt, entsteht eine wirbelnde Materialscheibe, die in das Schwarze Loch fällt. Dieses unfehlbare Material erwärmt sich und beginnt Licht auszustrahlen, wodurch das Schwarze Loch "sichtbar" wird (wenn auch indirekt). In einigen Fällen wird das Licht dieser Scheiben heller als alle Sterne in der Galaxie. Diese unglaublich hellen Galaxien werden dann als aktive galaktische Kerne (AGN) bezeichnet. Die hellsten AGN werden Quasare genannt, die Astronomen im gesamten sichtbaren Universum sehen können. sie weisen laut Aussage auf das Vorhandensein eines supermassiven Schwarzen Lochs hin.
Schwarze Löcher haben nur drei messbare Eigenschaften - Masse, Spin und Ladung -, daher ist die Berechnung der Masse ein großer Teil des Verständnisses eines einzelnen Schwarzen Lochs. In nahe gelegenen Galaxien können Astronomen beobachten, wie sich Gruppen von Sternen und Gasen um das galaktische Zentrum bewegen, und diese Bewegungen verwenden, um die Masse des zentralen Schwarzen Lochs abzuleiten. Aber entfernte Galaxien liegen so weit entfernt, dass Teleskope laut Aussage die Sterne und Materialwolken um das Schwarze Loch nicht auflösen können.
Eine als Nachhallkartierung bekannte Technik hat es Astronomen ermöglicht, die Massen dieser äußeren Schwarzen Löcher zu messen. Zunächst vergleichen die Forscher die Helligkeit des strahlenden Gases im äußeren Bereich der Galaxie mit der Helligkeit des Gases im inneren Bereich der Galaxie. (Diese innere Region, sehr nahe am Schwarzen Loch, ist als Kontinuumsregion bekannt). Das Gas im Kontinuumsbereich beeinflusst das sich schnell entfernte Gas. Es dauert jedoch einige Zeit, bis sich das Licht nach außen bewegt oder nachhallt, was zu einer Verzögerung zwischen den im inneren Bereich beobachteten Änderungen und ihrer Auswirkung auf den äußeren Bereich führt. Das Messen der Verzögerung zeigt, wie weit die äußere Gasscheibe vom Schwarzen Loch entfernt ist. In Verbindung mit seiner Rotationsrate um die Galaxie können Astronomen damit die Masse des SMBH messen, teilte Grier Space.com in einer E-Mail mit.
Aber der Prozess ist schmerzlich langsam. Um den Nachhalleffekt zu beobachten, muss eine einzelne Galaxie mehrere Monate lang immer wieder untersucht werden, während entfernte Quasare mehrere Jahre lang wiederholte Beobachtungen erfordern können, so die Forscher in der Erklärung. In den letzten 20 Jahren ist es Astronomen gelungen, die Nachhalltechnik nur für etwa 60 SMBHs in nahe gelegenen Galaxien und einer Handvoll entfernter Quasare einzusetzen.
Im Rahmen des SDSS Reverberation Mapping Project haben Grier und ihre Kollegen begonnen, SMBHs schneller als bisher abzubilden. Der Schlüssel zu dieser schnelleren Kartierung liegt laut Grier im speziellen Weitsicht-Teleskop des Projekts, das sich am Apache Point Observatory in Sunspot, New Mexico, befindet und Daten auf mehreren Quasaren gleichzeitig erfassen kann. Derzeit wird ein Teil des Himmels beobachtet, der etwa 850 Quasare enthält.
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 nun Nachhallzeitverzögerungen für 44 Quasare gemessen und diese Messungen verwendet, um die Schwarzlochmassen im Bereich von 5 Millionen bis 1,7 Milliarden Mal der Masse der Erdsonne zu berechnen.
"Dies ist ein großer Schritt vorwärts für die Quasarwissenschaft", sagte Aaron Barth, Professor für Astronomie an der University of California in Irvine, der nicht an der Forschung des Teams beteiligt war, in der Erklärung. "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 aus einer früheren Zeit, als das Universum nur halb so alt war wie heute.
Indem das Team die 850 Quasare über mehrere Jahre hinweg mit dem SDSS-Teleskop beobachtet, sammelt es jahrelange Daten, mit denen es die Masse noch schwächerer Quasare messen kann, deren längere Zeitverzögerungen nicht mit einem einzigen Datenjahr 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 fortsetzen, in den kommenden Jahren immer mehr Quasare zu überwachen, werden wir besser verstehen können, wie supermassereiche Schwarze Löcher wachsen und sich entwickeln."
Nachdem die derzeitige vierte Phase des SDSS im Jahr 2020 endet, beginnt die fünfte Phase, SDSS-V. SDSS-V enthält ein neues Programm namens Black Hole Mapper, in dem Forscher planen, die SMBH-Massen in mehr als 1.000 Quasaren zu messen und dabei schwächere und ältere Quasare zu beobachten, als es jemals ein Nachhallkartierungsprojekt geschafft hat.
"Mit dem Black Hole Mapper können wir in das Zeitalter der supermassiven Nachhallkartierung von Schwarzen Löchern im industriellen Maßstab eintreten", sagte Niel Brandt, Professor für Astronomie und Astrophysik am Penn State und langjähriges Mitglied der SDSS, in der Erklärung. "Wir werden mehr über diese mysteriösen Objekte erfahren als jemals zuvor."
