Vandaag, astronomen van de Sloan Digital Sky Survey (SDSS) hebben nieuwe metingen aangekondigd van de massa's van een grote steekproef van superzware zwarte gaten ver buiten het lokale heelal.

De resultaten, gepresenteerd op de bijeenkomst van de American Astronomical Society (AAS) in National Harbor, Maryland en gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift , vertegenwoordigen een grote stap voorwaarts in ons vermogen om superzware zwarte gatmassa's te meten in grote aantallen verre quasars en sterrenstelsels.

"Dit is de eerste keer dat we de massa's van zoveel superzware zwarte gaten zo ver weg rechtstreeks hebben gemeten, " zegt Catherine Grier, een postdoctoraal onderzoeker aan de Pennsylvania State University en de hoofdauteur van dit werk. "Deze nieuwe metingen, en toekomstige metingen zoals zij, zal essentiële informatie opleveren voor mensen die bestuderen hoe sterrenstelsels groeien en evolueren gedurende de kosmische tijd."

Superzware zwarte gaten (SMBH's) komen voor in de centra van bijna elk groot sterrenstelsel, inclusief die in de verste uithoeken van het heelal. De aantrekkingskracht van deze superzware zwarte gaten is zo groot dat nabije stof en gas in het gaststelsel onverbiddelijk naar binnen worden getrokken. Het invallende materiaal wordt zo heet dat het helder genoeg gloeit om het hele heelal te kunnen zien. Deze heldere schijven van heet gas staan ​​bekend als "quasars, " en het zijn duidelijke indicatoren van de aanwezigheid van superzware zwarte gaten. Door deze quasars te bestuderen, we leren niet alleen over SMBH's, maar ook over de verre sterrenstelsels waarin ze leven. Maar om dit allemaal te doen, zijn metingen van de eigenschappen van de SMBH's nodig, vooral hun massa.

Het probleem is dat het meten van de massa's van SMBH's een ontmoedigende taak is. Astronomen meten SMBH-massa's in nabijgelegen sterrenstelsels door groepen sterren en gas nabij het centrum van de melkweg te observeren, maar deze technieken werken niet voor verder weg gelegen sterrenstelsels, omdat ze zo ver weg zijn dat telescopen hun middelpunt niet kunnen bepalen. Directe SMBH-massametingen in verder weg gelegen sterrenstelsels worden gedaan met behulp van een techniek die 'reverberation mapping' wordt genoemd.

Het in kaart brengen van nagalm werkt door de helderheid van licht afkomstig van gas dat zich zeer dicht bij het zwarte gat bevindt (het "continuüm"-licht) te vergelijken met de helderheid van licht afkomstig van snel bewegend gas verder weg. Veranderingen die plaatsvinden in het continuümgebied hebben invloed op het buitenste gebied, maar licht heeft tijd nodig om naar buiten te reizen, of "weerkaatsen". Deze weerkaatsing betekent dat er een tijdsvertraging is tussen de variaties die in de twee regio's worden waargenomen. Door deze vertraging te meten, astronomen kunnen bepalen hoe ver het gas van het zwarte gat verwijderd is. Door die afstand te kennen, kunnen ze de massa van het superzware zwarte gat meten, ook al kunnen ze de details van het zwarte gat zelf niet zien.

In de afgelopen 20 jaar, astronomen hebben de techniek voor het in kaart brengen van nagalm gebruikt om de massa's van ongeveer 60 SMBH's in nabijgelegen actieve sterrenstelsels moeizaam te meten. Nagalmkartering vereist observaties van deze actieve sterrenstelsels, maandenlang keer op keer - en dus voor het grootste deel, metingen worden gedaan voor slechts een handvol actieve sterrenstelsels tegelijk. Met behulp van de galm mapping techniek op quasars, die verder weg zijn, is nog moeilijker, jaren van herhaalde observaties vereisen. Vanwege deze observatieproblemen, astronomen hadden tot nu toe alleen met succes galmkartering gebruikt om SMBH-massa's te meten voor een handvol verder weg gelegen quasars.

In dit nieuwe werk Het team van Grier heeft een toepassing op industriële schaal van de techniek voor het in kaart brengen van nagalm gebruikt met als doel de massa's van zwarte gaten in tientallen tot honderden quasars te meten. De sleutel tot het succes van het SDSS Reverberation Mapping-project ligt in het vermogen van de SDSS om veel quasars tegelijk te bestuderen - het programma observeert momenteel ongeveer 850 quasars tegelijk. Maar zelfs met de krachtige telescoop van de SDSS, dit is een uitdagende taak omdat deze verre quasars ongelooflijk zwak zijn.

"Je moet deze metingen heel zorgvuldig kalibreren om er zeker van te zijn dat je echt begrijpt wat het quasarsysteem doet, " zegt Jon Trump, een assistent-professor aan de Universiteit van Connecticut en een lid van het onderzoeksteam.

Verbeteringen in de kalibraties werden verkregen door ook de quasars te observeren met de Canada-France-Hawaii-Telescope (CFHT) en de Steward Observatory Bok-telescoop op Kitt Peak tijdens hetzelfde waarnemingsseizoen. Nadat alle waarnemingen waren verzameld en het kalibratieproces was voltooid, het team vond nagalmvertragingen voor 44 quasars. Ze gebruikten deze tijdvertragingsmetingen om massa's van zwarte gaten te berekenen die variëren van ongeveer 5 miljoen tot 1,7 miljard keer de massa van onze zon.

"Dit is een grote stap voorwaarts voor de quasarwetenschap, " zegt Aaron Barth, een professor in de astronomie aan de Universiteit van Californië, Irvine die niet betrokken was bij het onderzoek van het team. "Ze hebben voor het eerst aangetoond dat deze moeilijke metingen in massaproductie kunnen worden uitgevoerd."

Deze nieuwe SDSS-metingen verhogen het totale aantal actieve sterrenstelsels met SMBH-massametingen met ongeveer tweederde, en duw de metingen verder terug in de tijd naar toen het heelal nog maar de helft van zijn huidige leeftijd had. Maar het team stopt daar niet - ze blijven deze 850 quasars observeren met SDSS, en de extra jaren aan gegevens zullen hen in staat stellen de massa's van zwarte gaten te meten in nog verder weg gelegen quasars, die langere tijdvertragingen hebben die niet kunnen worden gemeten met een enkel jaar aan gegevens.

"Het verkrijgen van waarnemingen van quasars over meerdere jaren is cruciaal om goede metingen te verkrijgen, " zegt Yue Shen, een assistent-professor aan de Universiteit van Illinois en hoofdonderzoeker van het SDSS Reverberation Mapping-project. "Terwijl we ons project voortzetten om de komende jaren steeds meer quasars te monitoren, we zullen beter kunnen begrijpen hoe superzware zwarte gaten groeien en evolueren."

De toekomst van de SDSS biedt nog veel meer opwindende mogelijkheden voor het gebruik van nagalmkartering om massa's superzware zwarte gaten in het heelal te meten. Nadat de huidige vierde fase van de SDSS in 2020 afloopt, de vijfde fase van het programma, SDSS-V, begint. SDSS-V beschikt over een nieuw programma genaamd de Black Hole Mapper, die van plan is om SMBH-massa's te meten in meer dan 1, 000 meer quasars, verder het heelal in duwen dan enig project voor het in kaart brengen van nagalm ooit tevoren.

"Met de Black Hole Mapper kunnen we het tijdperk van superzware nagalmkartering van zwarte gaten op echte industriële schaal binnengaan, " zegt Niel Brandt, een professor in Astronomy &Astrophysics aan de Pennsylvania State University en een lange tijd lid van de SDSS. "We zullen meer te weten komen over deze mysterieuze objecten dan ooit tevoren."