Astronomowie ustalili masę małej czarnej dziury w centrum pobliskiej galaktyki

Galaktyka NGC 4395 na zdjęciu wykonanym przez Komiczny Teleskop Spitzer w podczerwieni. NGC 4395 jest około 1000 razy mniejsza od Drogi Mlecznej. Źródło: NASA

Jeżeli astronomowie chcą się dowiedzieć więcej o tym jak powstają supermasywne czarne dziury, muszą zacząć od czegoś małego, bardzo małego.

Zespół astronomów odkrył, że czarna dziura w centrum pobliskiej galaktyki karłowatej NGC 4395 jest niemal 40 razy mniejsza niż wcześniej uważano. Wyniki badań opublikowano właśnie w periodyku Nature Astronomy.

Obecnie astronomowie uważają, że supermasywne czarne dziury występują w centrum każdej galaktyki porównywalnej lub większej od Drogi Mlecznej. Jednak równie interesujące są czarne dziury w galaktykach takich jak NGC 4395. Masa czarnej dziury w centrum NGC 4395 – i możliwość jej precyzyjnego zmierzenia – mogą pomóc astronomom zastosować te same techniki do innych czarnych dziur.

“W kwestii małych lub karłowatych galaktyk pozostaje pytanie: czy te galaktyki mają czarne dziury, a jeżeli tak, czy skalują się one tak samo jak supermasywne czarne dziury?” mówi Gallo. “Odpowiedź na te pytania może pomóc nam zrozumieć mechanizm powstawania tych potężnych czarnych dziur we wczesnym okresie istnienia wszechświata”.

Do określenia masy czarnej dziury w NGC 4395, Gallo i współpracujący z nią badacze zastosowali metodę mapowania oddźwięków. Technika ta pozwala zmierzyć masę na podstawie monitorowania promieniowania emitowanego przez dysk akrecyjny wokół czarnej dziury. Dysk akrecyjny to masa materii związanej grawitacyjnie przez czarną dziurę.

Gdy promieniowanie przemieszcza się na zewnątrz dysku akrecyjnego, przechodzi przez inny obłok materii znajdujący się dalej od czarnej dziury, i bardziej rozrzedzony od dysku akrecyjnego. To tak zwany obszar szerokich linii.

Gdy promieniowanie uderza w obszar szerokich linii, sprawia, że tworzące go atomy doświadczają przejścia. Oznacza to, że promieniowanie wybija elektron z powłoki atomu wodoru, przez co atom zajmuje bardziej energetyczny poziom, po czym powraca do poprzedniego stanu. Astronomowie mogą dostrzec to przejście, bowiem widoczne jest ono jako błysk.

Echo mierzone z centralnej czarnej dziury w galaktyce karłowatej NGC 4395. Opóźnienie między kontinuum z dysku akrecyjnego czarnej dziury (niebieska krzywa blasku) a emisją wodoru z obłoków gazowych (czerwona krzywa blasku) wynosi około 80 minut – skąd możemy wyliczyć czas podróży światła z czarnej dziury do regionu emisji gazu. Źródło: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona. NASA/Chandra X-ray Observatory/M. Weiss

Mierząc jak długo zajmuje promieniowaniu z dysku akrecyjnego dotarcie do obszaru szerokich linii i spowodowanie błysków, astronomowie mogą oszacować odległość obszaru szerokich linii od czarnej dziury. Wyposażeni w te informacje, mogą obliczyć masę czarnej dziury.

“Uważa się, że odległość ta zależy od masy czarnej dziury” mówi Gallo. “Im większa czarna dziura, tym większa odległość i tym większą drogą musi pokonać światło z dysku akrecyjnego, aby dotrzeć do obszaru szerokich linii”.

Wykorzystując dane z Obserwatorium MDM, astronomowie obliczyli, że potrzeba 83 minut (+-14 minut) na to, aby promieniowanie dotarło z dysku akrecyjnego do obszaru szerokopasmowego. Aby obliczyć masę czarnej dziury, badacze musieli także zmierzyć rzeczywistą prędkość obszaru szerokopasmowego, czyli prędkość z jaką obłok ten porusza się pod wpływem grawitacji czarnej dziury. W tym celu za pomocą spektrometru GMOS zainstalowanego na teleskopie Gemini North badacze opracowali wysokiej jakości widmo.

Znając wartość prędkości obszaru szerokopasmowego, prędkość światła oraz stałą grawitacyjną, astronomowie byli w stanie określić, że masa czarnej dziury jest 10 000 razy wyższa od masy Słońca – czyli jest 40 razy niższa niż wcześniej uważano. Jest to jednocześnie najmniejsza czarna dziura odkryta z wykorzystaniem tej metody.

“Środowisko galaktyk karłowatych jest wciąż w dużej mierze niezbadane pod kątem właściwości czarnych dziur znajdujących się w ich centrach. Nie wiemy nawet czy każda taka galaktyka ma swoją czarną dziurę”.

Uzyskane przez badaczy informacje mogą także pomóc astronomom zrozumieć jak dużo większe czarne dziury wpływają na kształt galaktyk, w których się znajdują. Badacze badają obecnie jak czarne dziury wpływają na właściwości swoich galaktyk macierzystych w dużo większej skali niż tylko poprzez przyciąganie grawitacyjne.

“Nie ma żadnego powodu, dla którego gwiazdy, które znajdują się wielokrotnie dalej niż tam gdzie dominuje grawitacja czarnej dziury, miałyby w ogóle wiedzieć o obecności czarnej dziury w ich galaktyce, ale w jakiś sposób wiedzą. Czarne dziury w jakiś sposób kształtują galaktykę, w której żyją, w ogromnej skali, a ponieważ nie wiemy zbyt dużo o mniejszych galaktykach i ich mniejszych czarnych dziurach, nie wiemy czy to zjawisko dotyczy także i ich. Dzięki takim pomiarom jak nasze, zaczynamy się tego dowiadywać”.

Źródło: University of Michigan