Seit der Entdeckung von Schütze A * im Zentrum unserer Galaxie haben Astronomen verstanden, dass die meisten massiven Galaxien ein supermassives Schwarzes Loch (SMBH) im Kern haben. Dies wird durch die starken elektromagnetischen Emissionen an den Kernen dieser Galaxien belegt, die als „Active Galatic Nuclei“ (AGN) bezeichnet werden und vermutlich durch Gas und Staub verursacht werden, die sich auf dem SMBH ansammeln.
Seit Jahrzehnten untersuchen Astronomen das Licht von AGNs, um festzustellen, wie groß und massiv ihre Schwarzen Löcher sind. Dies war schwierig, da dieses Licht dem Doppler-Effekt ausgesetzt ist, wodurch sich seine Spektrallinien verbreitern. Dank eines neuen Modells, das von Forschern aus China und den USA entwickelt wurde, können Astronomen diese Broad Line Regions (BLRs) möglicherweise untersuchen und genauere Schätzungen über die Masse der Schwarzen Löcher vornehmen.
Die Studie „Gezeitengestörte Staubklumpen als Ursprung breiter Emissionslinien in aktiven galaktischen Kernen“ wurde kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Natur. Die Studie wurde von Jian-Min Wang, einem Forscher am Institut für Hochenergiephysik (IHEP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, mit Unterstützung der University of Wyoming und der University of Nanjing, geleitet.
SMBHs sind dafür bekannt, dass sie von einem Torus aus Gas und Staub umgeben sind. Die Schwerkraft des Schwarzen Lochs beschleunigt das Gas in diesem Torus auf Geschwindigkeiten von Tausenden von Kilometern pro Sekunde, wodurch es sich erwärmt und Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen emittiert. Diese Energie überstrahlte schließlich die gesamte umgebende Galaxie, wodurch Astronomen das Vorhandensein eines SMBH bestimmen können.
Wie Michael Brotherton, UW-Professor am Institut für Physik und Astronomie und Mitautor der Studie, in einer UW-Pressemitteilung erklärte:
"Die Leute denken:" Es ist ein schwarzes Loch. Warum ist es so hell? “Ein schwarzes Loch ist immer noch dunkel. Die Scheiben erreichen so hohe Temperaturen, dass sie Strahlung über das elektromagnetische Spektrum abgeben, das Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, UV-, Infrarot- und Radiowellen umfasst. Das Schwarze Loch und das umgebende Ansammlungsgas, von dem sich das Schwarze Loch ernährt, ist Kraftstoff, der den Quasar einschaltet. “
Das Problem bei der Beobachtung dieser hellen Bereiche ergibt sich aus der Tatsache, dass sich die Gase in ihnen so schnell in verschiedene Richtungen bewegen. Während sich Gas, das sich (relativ zu uns) wegbewegt, zum roten Ende des Spektrums hin verschiebt, wird Gas, das sich zu uns hin bewegt, zum blauen Ende hin verschoben. Dies führt zu einer breiten Linienregion, in der das Spektrum des emittierten Lichts eher einer Spirale ähnelt, was es schwierig macht, genaue Messwerte zu erhalten.
Gegenwärtig beruht die Messung der Masse von SMBHs in aktiven galaktischen Kernen auf der "Nachhallkartierungstechnik". Kurz gesagt, dies beinhaltet die Verwendung von Computermodellen, um die symmetrischen Spektrallinien eines BLR zu untersuchen und die Zeitverzögerungen zwischen ihnen zu messen. Es wird angenommen, dass diese Linien aus Gas entstehen, das durch die Gravitationskraft des SMBH photoionisiert wurde.
Da jedoch die breiten Emissionslinien und die verschiedenen Komponenten von BLRs nur wenig bekannt sind, führt diese Methode zu Unsicherheiten zwischen 200 und 300%. "Wir versuchen, detailliertere Fragen zu spektralen Breitlinienregionen zu erhalten, die uns bei der Diagnose der Masse des Schwarzen Lochs helfen", sagte Brotherton. "Die Menschen wissen nicht, woher diese Regionen mit breiten Emissionslinien stammen oder wie dieses Gas beschaffen ist."
Im Gegensatz dazu übernahm das von Dr. Wang geleitete Team ein neues Computermodell, das die Dynamik des einen SMBH umgebenden Gastorus berücksichtigte. Sie nehmen an, dass dieser Torus aus diskreten Materieklumpen bestehen würde, die durch das Schwarze Loch in Gezeiten zerstört würden, was dazu führen würde, dass etwas Gas in das Torus strömt (auch bekannt als Ansammlung darauf) und ein Teil als Abfluss ausgestoßen wird.
Daraus ergaben sie, dass die Emissionslinien in einem BLR drei Merkmalen unterliegen - "Asymmetrie", "Form" und "Verschiebung". Nach der Untersuchung verschiedener symmetrischer und asymmetrischer Emissionslinien stellten sie fest, dass diese drei Eigenschaften stark davon abhängen, wie hell die Gasklumpen sind, was sie als Ergebnis des Bewegungswinkels innerhalb des Torus interpretierten. Oder wie Dr. Brotherton es ausdrückte:
„Wir schlagen vor, dass sich diese staubigen Klumpen bewegen. Einige schlagen ineinander und verschmelzen und ändern die Geschwindigkeit. Vielleicht ziehen sie in den Quasar, wo das Schwarze Loch lebt. Einige der Klumpen drehen sich aus dem Bereich der breiten Linie. Einige werden rausgeschmissen. “
Letztendlich deutet ihr neues Modell darauf hin, dass gezeitengestörte Materieklumpen eines Schwarzloch-Torus die Quelle des BLR-Gases darstellen könnten. Im Vergleich zu früheren Modellen stellt das von Dr. Wang und seinen Kollegen entwickelte Modell eine Verbindung zwischen verschiedenen Schlüsselprozessen und Komponenten in der Nähe eines SMBH her. Dazu gehören die Zufuhr des Schwarzen Lochs, die Quelle des photoionisierten Gases und der staubige Torus selbst.
Während diese Forschung nicht alle Rätsel um AGNs löst, ist sie ein wichtiger Schritt, um genaue Massenschätzungen von SMBHs basierend auf ihren Spektrallinien zu erhalten. Daraus könnten Astronomen genauer bestimmen, welche Rolle diese Schwarzen Löcher bei der Entwicklung großer Galaxien spielten.
Die Studie wurde dank der Unterstützung des Nationalen Schlüsselprogramms für Forschung und Entwicklung in Wissenschaft und Technologie und des Schlüsselforschungsprogramms für Grenzwissenschaften ermöglicht, die beide von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften verwaltet werden.
