Спектроастрометрия — новый метод прямого измерение масс сверхмассивных черных дыр

Астрономы Института астрономии имени Макса Планка впервые успешно протестировали новый метод определения масс экстремальных черных дыр. Этот метод называется спектроастрометрией и основан на измерении излучения, испускаемого газом вблизи сверхмассивных черных дыр. Это измерение одновременно определяет скорость вращения излучающего газа и его расстояние от центра аккреционного диска, из которого материал попадает в черную дыру.

По сравнению с другими методами спектроастрометрия относительно проста и эффективна, если ее проводить с помощью современных больших телескопов. Высокая чувствительность этого метода позволяет исследовать окрестности светящихся квазаров и сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной.

В космологии определение массы сверхмассивных черных дыр в молодой Вселенной является важным измерением для отслеживания временной эволюции космоса. Теперь астрономам впервые удалось продемонстрировать возможность прямого определения массы квазара с помощью спектроастрометрии.

Этот метод позволяет определять массу далеких черных дыр непосредственно по оптическим спектрам без необходимости делать обширные предположения о пространственном распределении газа. Впечатляющие приложения спектроастрометрических измерений масс квазаров систематически исследовались в MPIA несколько лет назад.

Квазары: маяки Вселенной

Квазары — это активные ядра галактик, которые содержат сверхмассивные черные дыры и являются одними из самых ярких космических объектов. Поэтому их можно обнаружить на больших расстояниях, что позволяет исследовать раннюю Вселенную.

Если рядом с черной дырой есть газ, он не может попасть в нее напрямую. Вместо этого формируется аккреционный диск, вихрь, который помогает материи «стекать» в черную дыру.

Высокие силы трения в этом потоке газа, который в конечном итоге питает черную дыру, обычно нагревают аккреционный диск до пятидесяти тысяч градусов. Интенсивность излучения, испускаемого при этом, заставляет квазары казаться настолько яркими, что они затмевают все звезды в галактике.

Другие компоненты внутри квазаров известны уже несколько десятилетий, например, так называемая «область широких эмиссионных линий» (BLR), зона, в которой облака ионизированного газа вращаются вокруг центральной черной дыры со скоростью несколько тысяч километров в секунду.

Интенсивное и энергичное излучение аккреционного диска стимулирует излучение газа в BLR, которое видно в спектрах в виде спектральных линий. Однако из-за эффекта Доплера они сильно расширяются из-за высоких орбитальных скоростей, что и дало название BLR.

Новый метод измерения масс черных дыр

Теперь ученые измерили оптически самую яркую спектральную линию водорода (Ha) в BLR квазара J2123-0050 в созвездии Водолея.

Его свет исходит из того времени, когда Вселенной было всего 2,9 миллиарда лет. Методом спектроастрометрии они определили предполагаемое расстояние источника излучения в BLR до центра аккреционного диска, местонахождение потенциальной сверхмассивной черной дыры.

В то же время линия Ha дает радиальную скорость газообразного водорода, т. е. ту составляющую скорости, которая направлена ​​в сторону Земли. Точно так же, как масса Солнца определяет орбитальные скорости планет в Солнечной системе, масса черной дыры в центре квазара может быть точно выведена из этих данных, если можно пространственно разрешить распределение газа.

Однако даже для современных больших телескопов размер BLR слишком мал. «Однако, разделяя спектральную и пространственную информацию в собранном свете, а также путем статистического моделирования измеренных данных, мы можем получить расстояния намного меньше одного пикселя изображения от центра аккреционного диска», — объясняют астрономы. Продолжительность наблюдений определяет точность измерения.

Для J2123-0050 астрономы рассчитали массу черной дыры не более 1,8 миллиарда масс Солнца. «Точное определение массы еще не было главной целью этих первых наблюдений», — говорит Йорг-Уве Потт, соавтор и глава рабочей группы «Черные дыры и механизмы аккреции» в MPIA.

«Вместо этого мы хотели показать, что метод спектроастрометрии в принципе может обнаруживать кинематические сигнатуры масс центрального квазара с использованием уже доступных сегодня 8-метровых телескопов».

Таким образом, спектроастрометрия может стать ценным дополнением к инструментам, которые исследователи используют для определения масс черных дыр. Астрономы добавляют: «Благодаря значительной чувствительности космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) и Чрезвычайно большого телескопа (ELT с диаметром главного зеркала 39 метров), который в настоящее время строится, мы скоро сможем определять массы квазаров на самые высокие красные смещения».

Спектроастрометрия ценное дополнение к классическим методам

Среди альтернатив для съемки BLR в близлежащих квазарах широко используется метод: «Картирование реверберации» (RM). В нем используется время прохождения света, при котором любое колебание яркости в аккреционном диске необходимо для возбуждения окружающего газа с усилением излучения.

Исходя из этого, астрономы оценивают среднюю протяженность BLR. Помимо иногда значительных неопределенностей в предположениях, этот метод имеет решающие недостатки по сравнению со спектроастрометрией при исследовании наиболее массивных и удаленных черных дыр.

Диаметр BLR коррелирует с массой центральной черной дыры. Следовательно, задержка сигнала между аккреционным диском и BLR становится очень большой для массивных черных дыр в ранней Вселенной. Необходимая серия измерений в несколько лет становится нецелесообразно длинной.

Более того, флуктуации яркости и измеримость имеют тенденцию к уменьшению с увеличением массы черной дыры и светимости квазара. Поэтому метод RM редко применим к светящимся квазарам. В результате он не подходит для измерения квазаров на больших космологических расстояниях.

Однако RM служит основой для калибровки других косвенных методов, сначала установленных для близких квазаров, а затем распространенных на более далекие светящиеся квазары с массивными черными дырами. Качество этих непрямых подходов зависит от точности метода RM.

Здесь также спектроастрометрия может помочь определить массу массивных черных дыр на более широкой основе. Например, оценка данных от J2123-0050 показывает, что корреляция между размером BLR и светимостью квазара, первоначально установленная с помощью метода RM для довольно близких слабых квазаров, на самом деле, по-видимому, сохраняется и для далеких ярких квазаров. Однако здесь необходимы дополнительные измерения.

BLR также можно измерить интерферометрически в соседних активных галактиках, например, с помощью инструмента GRAVITY Очень большого телескопа (VLT). Однако большое преимущество спектроастрометрии состоит в том, что требуется только одно высокочувствительное наблюдение.

Кроме того, она не требует ни очень сложной в техническом отношении связи нескольких телескопов, как того требует интерферометрия, ни длинных серий измерений в течение месяцев и лет, как в случае с РМ. Например, одной серии наблюдений с экспозицией четыре часа на 8-метровом телескопе Gemini North на Гавайях, поддерживаемой системой коррекции, состоящей из направляющего лазера и адаптивной оптики, было достаточно для исследования.

Исследователи возлагают большие надежды на новые оптические телескопы следующего поколения, такие как ELT ESO. Сочетание увеличенной светособирающей поверхности с пятикратно увеличенной резкостью изображения сделало бы представленное здесь наблюдение возможным всего за несколько минут на ELT.

«Мы будем использовать ELT для астрометрических измерений множества квазаров на разных расстояниях за одну ночь, что позволит нам напрямую наблюдать за космологической эволюцией масс черных дыр» — говорят астрономы. Благодаря успешному астрометрическому технико-экономическому обоснованию авторы открыли новую дверь в исследование ранней Вселенной.