Als je naar de nachtelijke hemel kijkt, hoe weet je of de lichtvlekjes die je ziet helder en ver weg zijn, of relatief zwak en dichtbij? Een manier om erachter te komen is door te vergelijken hoeveel licht het object daadwerkelijk uitstraalt met hoe helder het lijkt. Het verschil tussen zijn werkelijke helderheid en zijn schijnbare helderheid onthult de afstand van een object tot de waarnemer.

Het meten van de helderheid van een hemellichaam is een uitdaging, vooral met zwarte gaten, die geen licht uitstralen. Maar de superzware zwarte gaten die zich in het centrum van de meeste sterrenstelsels bevinden, bieden een maas in de wet:ze trekken vaak veel materie om zich heen, hete schijven vormen die helder kunnen uitstralen. Door de helderheid van een heldere schijf te meten, kunnen astronomen de afstand tot het zwarte gat en de melkweg waarin het leeft meten. Afstandsmetingen helpen wetenschappers niet alleen om een ​​beter, driedimensionale kaart van het heelal, ze kunnen ook informatie geven over hoe en wanneer objecten zijn gevormd.

In een nieuwe studie, astronomen gebruikten een techniek die sommigen "echo mapping" hebben genoemd om de helderheid van schijven van zwarte gaten in meer dan 500 sterrenstelsels te meten. Vorige maand gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift , de studie ondersteunt het idee dat deze benadering kan worden gebruikt om de afstanden tussen de aarde en deze verre sterrenstelsels te meten.

Het proces van echo mapping, ook bekend als nagalm mapping, begint wanneer de schijf van heet plasma (atomen die hun elektronen hebben verloren) dichtbij het zwarte gat helderder wordt, soms zelfs korte uitbarstingen van zichtbaar licht (d.w.z. golflengten die door het menselijk oog kunnen worden gezien). Dat licht reist weg van de schijf en komt uiteindelijk in een gemeenschappelijk kenmerk van de meeste superzware zwarte-gatsystemen terecht:een enorme stofwolk in de vorm van een donut (ook wel torus genoemd). Samen, de schijf en de torus vormen een soort roos, met de accretieschijf strak om het zwarte gat gewikkeld, gevolgd door opeenvolgende ringen van iets koeler plasma en gas, en tenslotte de stoftorus, die de breedste vormt, buitenste ring in de roos. Wanneer de lichtflits van de accretieschijf de binnenwand van de stoffige torus bereikt, het licht wordt geabsorbeerd, waardoor het stof opwarmt en infrarood licht afgeeft. Deze verheldering van de torus is een directe reactie op of, je zou kunnen zeggen een "echo" van de veranderingen die op de schijf plaatsvinden.

De afstand van de accretieschijf tot de binnenkant van de stoftorus kan enorm zijn - miljarden of biljoenen mijlen. zelfs licht, reizen op 186, 000 mijl (300, 000 kilometer) per seconde, kan maanden of jaren duren om het over te steken. Als astronomen zowel de aanvankelijke opflakkering van zichtbaar licht in de accretieschijf als de daaropvolgende infrarode verheldering in de torus kunnen waarnemen, ze kunnen ook de tijd meten die het licht nodig had om tussen die twee structuren te reizen. Omdat licht met een standaardsnelheid reist, deze informatie geeft astronomen ook de afstand tussen de schijf en de torus.

Wetenschappers kunnen dan de afstandsmeting gebruiken om de helderheid van de schijf te berekenen, en, in theorie, zijn afstand tot de aarde. Hier is hoe:De temperatuur in het deel van de schijf dat zich het dichtst bij het zwarte gat bevindt, kan tienduizenden graden bereiken - zo hoog dat zelfs atomen uit elkaar worden gescheurd en er zich geen stofdeeltjes kunnen vormen. De warmte van de schijf verwarmt ook het gebied eromheen, als een vreugdevuur op een koude nacht. Weg van het zwarte gat, de temperatuur daalt geleidelijk.

Astronomen weten dat stof ontstaat wanneer de temperatuur daalt tot ongeveer 2, 200 graden Fahrenheit (1, 200 Celsius); hoe groter het vreugdevuur (of hoe meer energie de schijf uitstraalt), hoe verder weg het stof vormt. Dus het meten van de afstand tussen de accretieschijf en de torus onthult de energie-output van de schijf, die recht evenredig is met zijn helderheid.

Omdat het licht maanden of jaren kan duren om de ruimte tussen de schijf en de torus te doorkruisen, astronomen hebben gegevens nodig die tientallen jaren beslaan. De nieuwe studie is gebaseerd op bijna twee decennia observaties in zichtbaar licht van accretieschijven van zwarte gaten, vastgelegd door verschillende telescopen op de grond. Het infraroodlicht dat door het stof wordt uitgestraald, werd gedetecteerd door NASA's Near Earth Object Wide Field Infrared Survey Explorer (NEOWISE), voorheen WISE genoemd. Het ruimtevaartuig onderzoekt ongeveer eens in de zes maanden de hele lucht, astronomen voorzien van herhaalde mogelijkheden om sterrenstelsels te observeren en te zoeken naar tekenen van die lichte "echo's". De studie gebruikte 14 luchtonderzoeken door WISE/NEOWISE, verzameld tussen 2010 en 2019. In sommige sterrenstelsels het licht heeft meer dan 10 jaar nodig gehad om de afstand tussen de accretieschijf en het stof te overbruggen, waardoor ze de langste echo's zijn die ooit buiten het Melkwegstelsel zijn gemeten.

sterrenstelsels ver, Ver weg

Het idee om echomapping te gebruiken om de afstand van de aarde tot verre sterrenstelsels te meten is niet nieuw, maar de studie maakt aanzienlijke vooruitgang in het aantonen van de haalbaarheid ervan. Het grootste afzonderlijke onderzoek in zijn soort, de studie bevestigt dat echo-mapping in alle sterrenstelsels op dezelfde manier verloopt, ongeacht variabelen als de grootte van een zwart gat, die in het heelal aanzienlijk kunnen variëren. Maar de techniek is nog niet klaar voor prime time.

Door meerdere factoren, de afstandsmetingen van de auteurs missen precisie. Met name, de auteurs zeiden, ze moeten meer weten over de structuur van de binnenste regionen van de stofdoughnut die het zwarte gat omgeeft. Die structuur zou onder meer van invloed kunnen zijn op welke specifieke golflengten van infrarood licht het stof uitzendt wanneer het licht het voor het eerst bereikt.

De WISE-gegevens beslaan niet het hele infraroodgolflengtebereik, en een bredere dataset zou de afstandsmetingen kunnen verbeteren. NASA's Nancy Grace Roman-ruimtetelescoop, zal medio 2020 van start gaan, zal gerichte waarnemingen bieden in verschillende infrarode golflengtebereiken. De aanstaande SPHEREx-missie van het bureau (wat staat voor Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization en Ices Explorer) zal de hele hemel in meerdere infraroodgolflengten onderzoeken en zou ook kunnen helpen de techniek te verbeteren.

"Het mooie van de techniek voor het in kaart brengen van echo's is dat deze superzware zwarte gaten niet snel zullen verdwijnen, " zei Qian Yang, een onderzoeker aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en hoofdauteur van de studie, verwijzend naar het feit dat schijven van zwarte gaten duizenden of zelfs miljoenen jaren actief kunnen affakkelen. "Zo kunnen we de stofecho's steeds opnieuw meten voor hetzelfde systeem om de afstandsmeting te verbeteren."

Op lichtsterkte gebaseerde afstandsmetingen kunnen al worden gedaan met objecten die bekend staan ​​als "standaardkaarsen, " die een bekende helderheid hebben. Een voorbeeld is een type exploderende ster genaamd een Type 1a supernova, die een cruciale rol speelde bij de ontdekking van donkere energie (de naam die werd gegeven aan de mysterieuze drijvende kracht achter de versnellende uitdijing van het universum). Type 1a supernova hebben allemaal ongeveer dezelfde helderheid, dus astronomen hoeven alleen hun schijnbare helderheid te meten om hun afstand tot de aarde te berekenen.

Met andere standaard kaarsen, astronomen kunnen een eigenschap van het object meten om de specifieke helderheid ervan af te leiden. Dat is het geval bij echomapping, waarbij elke accretieschijf uniek is, maar de techniek voor het meten van de helderheid hetzelfde is. Er zijn voordelen voor astronomen om meerdere standaardkaarsen te kunnen gebruiken, zoals het kunnen vergelijken van afstandsmetingen om hun nauwkeurigheid te bevestigen, en elke standaardkaars heeft sterke en zwakke punten.

"Het meten van kosmische afstanden is een fundamentele uitdaging in de astronomie, dus de mogelijkheid om een ​​extra truc in petto te hebben is erg spannend, " zei Yue Shen, ook een onderzoeker aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en co-auteur van het artikel.