Jak zważyć czarną dziurę za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba?

Na pierwszy rzut oka galaktyka NGC 4151 wygląda jak każda inna galaktyka spiralna. Przyjrzyj się uważnie jej centrum, a zauważysz jasną smugę wyróżniającą się na tle łagodniejszej otaczającej ją poświaty. Ten punkt światła przedstawia położenie supermasywnej czarnej dziury o masie około 40 milionów mas Słońca.

Galaktyka spiralna NGC 4151 posiada jasne, aktywne jądro zasilane supermasywną czarną dziurą. Webb zważy czarną dziurę mierząc ruchy gwiazd znajdujących się w centrum galaktyki.
Źródło: NASA, ESA oraz J. DePasquale (STScI)

Astronomowie mają zamiar wykorzystać Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do pomiaru masy czarnej dziury. Wynik takiego pomiaru może wydawać się nieistotny, ale w rzeczywistości to masa określa jak czarna dziura pożera materię i jak wpływa na otaczającą ją galaktykę. A skoro większość galaktyk zawiera czarne dziury, wiedza o tej pobliskiej galaktyce może nam pomóc zrozumieć wiele innych galaktyk w całym kosmosie.

“Jedne z kluczowych pytań astrofizyki to: Jak rosną czarne dziury znajdujące się w centrum galaktyk; jak rosną same galaktyki i jak one na siebie wzajemnie wpływają> Ten projekt jest krokiem na drodze do odkrycia odpowiedzi na te pytania” mówi Misty Bentz z Georgia State University w Atlancie.

Istnieje kilka metod ważenia supermasywnych czarnych dziur. Jedna z nich opiera się o pomiary ruchu gwiazd w centrum galaktyki. Im cięższa jest czarna dziura, tym szybciej w jej polu grawitacyjnym będą poruszały się pobliskie gwiazdy.

NGC 4151 stanowi nie lada wyzwanie, ponieważ zawiera szczególnie aktywną czarną dziurę, która intensywnie pożera otaczającą ją materię. Dzięki temu materia krążąca wokół czarnej dziury w tak zwanym dysku akrecyjnym bardzo jasno świeci. Promieniowanie dysku akrecyjnego przesłania i przytłacza słabsze światło pojedynczych gwiazd zamieszkujących ten obszar.

“Przy pomocy niemal idealnych zwierciadeł Webba i jego ostrego wzroku, powinniśmy być w stanie zajrzeć bliżej centrum galaktyki, nawet jeżeli jest tam naprawdę jasny dysk akrecyjny” mówi Bentz.

Badacze spodziewają się, że będą w stanie zbadać centralne 1000 lat świetlnych galaktyki NGC 4151 i zbadać prędkości gwiazd w skali rzędu 15 lat świetlnych.

W tym celu badacze wykorzystają integralne pola (IFU) spektrografu NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) zainstalowanego na pokładzie Webba.

IFU Webba pobierają promieniowanie z każdego miejsca na zdjęciu i rozdzielają je na tęczowe widm. W tym celu wykonano prawie 100 zwierciadeł, z których każdemu precyzyjnie nadano określony kształt, a które następnie umieszczono w instrumencie rozmiarów pudełka na buty (zwykłe buty, nie takie z Sex in the City). Te wszystkie zwierciadła skutecznie dzielą niewielki wycinek nieba na paski, a następnie rozdzielają promieniowanie z tych pasków tak przestrzenie jak i według długości fal promieniowania.

W ten sposób z każdego zdjęcia otrzymujemy 1000 widm. Każde widmo mówi astronomom coś nie tylko o pierwiastkach, z których zbudowane są gwiazdy i gaz w danym punkcie nieba, ale także o ich względnym ruchu.

Pomimo rewelacyjnej rozdzielczości Webba, badacze nie będą w stanie zmierzyć ruchu poszczególnych gwiazd. Zamiast tego otrzymają informacje o grupach gwiazd znajdujących się bardzo blisko centrum galaktyki. Następnie wykorzystają modele komputerowe do określenia pola grawitacyjnego działającego na gwiazdy, a które zależy od rozmiaru czarnej dziury.

“Nasz kod komputerowy generuje sztuczne gwiazdy – dziesiątki tysięcy gwiazd – imitujące ruch prawdziwych gwiazd w galaktyce. Wprowadzamy do niego różne czarne dziury i sprawdzamy, które najbardziej przypominają nasze dane obserwacyjne” mówi Monica Valluri z University of Michigan.

Wyniki uzyskane za pomocą tej techniki zostaną porównane z wynikami skupiającymi się na gazie w centrum galaktyki.

“Powinniśmy otrzymać ten sam wynik, niezależnie od techniki, jeżeli patrzymy na tę samą czarną dziurę. NGC 4151 jest jednym z najlepszych obiektów do tego porównania”.

Źródło: NASA