Спектроастрометрия: новый метод измерения массы сверхмассивных черных дыр

Группа исследователей из Института астрономии Макса Планка использовала измерения излучения, испускаемого газом вблизи сверхмассивной черной дыры квазара J2123-0050, для проверки спектроастрометрического метода. Это новая техника определения массы сверхмассивных черных дыр, которые могут существовать еще на заре нашей Вселенной.

Оценить массу сверхмассивных черных дыр внутри квазаров непросто, несмотря на то, что они являются одними из самых ярких объектов на небе. Теперь астрономы из Института астрономии Макса Планка под руководством Феликса Боско успешно протестировали новый метод определения их массы. Он называется спектроастрометрией и основан на измерении излучения, испускаемого газом в окрестностях сверхмассивных черных дыр.

Ионизированный газ вращается вокруг черной дыры со скоростью несколько тысяч километров в секунду, образуя так называемый аккреционный диск. Эта область называется Областью широких линий, поскольку газовое излучение видно в электромагнитных спектрах в виде спектральных линий, увеличенных из-за эффекта Доплера на этих очень высоких орбитальных скоростях.

Эту область непросто изучить, но спектроастрометрический метод позволяет определить скорость вращения газа и его расстояние от центра диска. Следовательно, это относительно простой и эффективный способ, а также с высокой чувствительностью для изучения окружающей среды, окружающей квазары и сверхмассивные черные дыры ранней Вселенной.

Схематическое изображение квазара. В центре находится сверхмассивная черная дыра, окруженная аккреционным диском из ионизированного газа, областью широких линий и тором пыли вокруг нее.

Спектроастрометрический метод позволяет определять массу сверхмассивных черных дыр в квазарах непосредственно из оптических спектров, полученных из наблюдений излучения, испускаемого небесным телом, без необходимости делать обширные предположения о пространственном распределении газа.

Если бы газ вокруг черной дыры находился в состоянии покоя, измерение спектральных линий в BLR (область широких линий, область вокруг центральной сверхмассивной черной дыры в галактике) всегда давало бы одну и ту же длину волны. Вместо этого газ движется по орбите: если смотреть со стороны, то одна сторона удаляется, а другая приближается. В результате измеренный спектральный сигнал смещается в сторону более коротких (синих) длин волн с одной стороны. С другой стороны, в сторону более длинных (красных) волн. Разница между этими двумя значениями длины волны, в зависимости от положения в BLR, определяет спектральный сигнал. По этому сигналу можно определить максимальное расстояние газовых облаков в BLR, наблюдаемых из центра квазара, и скорость газа. Следовательно, масса.

Существуют и другие методы, используемые для той же цели, но с гораздо большим количеством недостатков, чем этот. Например, спектроастрометрия особенно подходит для особо удаленных, т.е. очень старых, квазаров и сверхмассивных черных дыр.

Применение спектроастрометрии к J2123-0050

Для проверки этой методики аспирант Феликс Боско и его коллеги измерили оптически яркую спектральную линию водорода (Hα) в области широких линий квазара J2123-0050 в созвездии Водолея. Свет от этого небесного тела исходит из того времени, когда возраст Вселенной составлял всего 2,9 миллиарда лет.

Используя метод спектроастрометрии, исследователи определили расстояние между источником излучения в BLR и центром аккреционного диска, где должна находиться сверхмассивная черная дыра. Спектральная линия Hα также позволяет определить радиальную скорость водородного газа, т.е. компонент скорости, направленный к Земле. Массу черной сверхмассивной дыры в центре квазара можно точно вывести из этих данных, если распределение газа может быть пространственно разрешено.

Спектроастрометрический сигнал, отображаемый в детекторе, сравнивается с BLR вокруг сверхмассивной черной дыры в космосе.

Измерение массы

Даже для современных крупных телескопов протяженность BLR слишком мала для высокого пространственного разрешения. Однако Боско объясняет, что продолжительность наблюдений определяет точность измерений:

Разделив спектральную и пространственную информацию в собранном свете, а также статистически моделируя измеренные данные, мы можем получить расстояния намного меньше одного пикселя изображения от центра аккреционного диска.

Для J2123-0050 астрономы рассчитали массу черной дыры не более 1,8 миллиарда солнечных масс. "Точное определение массы еще не было главной целью этих первых наблюдений", — говорит Йорг-Уве Потт, соавтор исследования. "Мы хотели показать, что метод спектроастрометрии в принципе может обнаружить кинематическую подпись массы центрального квазара с помощью 8-метровых телескопов, доступных уже сегодня".

Полученные данные свидетельствуют о том, что корреляция между размером BLR и яркостью изучаемого квазара, первоначально установленная другим методом, действительно, похоже, применима к ярким квазарам. Однако здесь необходимы дополнительные измерения. Однако спектроастрометрия может стать ценным союзником для исследователей в определении масс сверхмассивных черных дыр.

Спектроастрометрия и интерферометрия

Измерения BLR также могут быть выполнены с помощью интерферометрического метода в близлежащих активных галактиках. Например, с помощью прибора GRAVITY, установленного на интерферометре Очень большого телескопа (VLTI). При этом у спектроастрометрии есть важное преимущество: требуется только одно высокочувствительное наблюдение.

Кроме того, она не требует:

соединение нескольких телескопов, необходимое для интерферометрии;

длинные серии измерений в течение месяцев и лет, как и в других методах оценки массы (например, реверберационное картирование).

Исследовательской группе под руководством Феликса Боско было достаточно одной серии наблюдений с экспозицией в четыре часа на 8-метровом телескопе Gemini North на Гавайях при поддержке системы коррекции, состоящей из лазерной направляющей звезды и адаптивной оптики.

верху слева, на вершине горы Маунакеа на Гавайях, находится телескоп Gemini North, один из двух двойных телескопов Международной обсерватории Gemini Международной обсерватории NOIRLab.

С помощью нового поколения оптических телескопов, таких как Чрезвычайно большой телескоп ESO, исследователи надеются использовать этот метод с гораздо меньшим временем наблюдения. Замечательная чувствительность космического телескопа Джеймса Уэбба также позволит достичь особенно больших расстояний, то есть очень далекого прошлого, когда Вселенная была еще очень молодой.

Поэтому благодаря спектроастрометрии можно будет исследовать этих загадочных небесных монстров в ближайшей Вселенной. И дальше.