(NASA/JPL-Caltech) Von unserem einzigen Standpunkt im Kosmos aus ist es wirklich schwierig, den dreidimensionalen Raum zu verstehen.
Wir können Sterne leicht in Konstellationen zueinander zuordnen, aber zu wissen, welche näher und welche weiter entfernt sind, ist viel schwieriger zu messen.
Eine Möglichkeit, die Entfernung zu Objekten im Raum zu bestimmen, ist die Verwendung von Standardkerzen – Objekten mit bekannter Eigenhelligkeit. Astronomen messen den Unterschied zwischen der tatsächlichen Helligkeit des Objekts und der Helligkeit, die es uns Lichtjahre entfernt erscheint, und berechnen anhand dieser Differenz, wie weit das Licht gereist ist.
Zu diesen Kerzen gehören pulsierende Sterne, deren intrinsische Helligkeit mit dem Zeitpunkt ihrer Pulse zusammenhängt Supernovae mit einem begrenzten Spitzenhelligkeitsbereich .
Jetzt haben Astronomen die Funktionsfähigkeit des scheinbar unwahrscheinlichsten Werkzeugs im Universum für dieses Set demonstriert – supermassereich Schwarze Löcher . Oder zumindest die Echos davon.
„Die Messung kosmischer Entfernungen ist eine grundlegende Herausforderung in der Astronomie, daher ist die Möglichkeit, einen zusätzlichen Trick im Ärmel zu haben, sehr aufregend“, sagte der Astronom Yue Shen der University of Illinois in Urbana-Champaign.
Möglicherweise sind Sie hier etwas verwirrt. Es stimmt zwar, dass wir (mehr oder weniger) wissen, wie hell Schwarze Löcher sind, aber das nützt überhaupt nichts – denn sie sind, nun ja, das Gegenteil von hell.
Sie geben überhaupt keine erkennbare Strahlung ab; Sie sind praktisch unsichtbar.
Es gibt bis zu eine Milliarden Schwarze Löcher mit Sternmasse in der Milchstraße; wir haben nur ein paar Handvoll identifiziert .
Supermassive Schwarze Löcher, die sich im Herzen von Galaxien befinden, sind jedoch ein ganz anderes Problem.
Nein, wir können sie immer noch nicht sehen; aber wenn sie aktiv sind, leuchtet das Material um sie herum tatsächlich sehr hell. Und es ist die Art und Weise, wie sich Licht in dieser unmittelbaren Umgebung verhält, um seine inhärente Helligkeit zu ermitteln.
Ein aktiver Supermassiver schwarzes Loch ist eines, das sich von Material ernährt, und dieses Material ist in einer bekannten Architektur um das Schwarze Loch herum strukturiert. Im Zentrum befindet sich das supermassereiche Schwarze Loch selbst, ein Ungeheuer, das Millionen bis Zehnmilliarden Mal so groß sein kann wie die Masse der Sonne.
Um ihn herum wirbelt eine Materialscheibe, die durch die Schwerkraft in das Schwarze Loch hineingesaugt wird, ein bisschen wie Wasser, das kreist und in einen Abfluss fällt. Dies ist die Akkretionsscheibe, und die starken Gravitations- und Reibungskräfte darin erhitzen das Material und lassen es hell leuchten. Aber das ist nicht das, was Astronomen gemessen haben.
Außerhalb der Akkretionsscheibe befindet sich eine größere Wolke, ein ringförmiger Donut-Ring aus Staub Torus . Die gesamte Struktur wird wie in der Abbildung oben zusammengesetzt. Dieser äußere Torus ist der Schlüssel zu einer Technik, die als Echo-Mapping oder Nachhall-Mapping bekannt ist.
Hin und wieder flackert der Bereich der Akkretionsscheibe, der einem aktiven supermassereichen Schwarzen Loch am nächsten liegt, hell in hauptsächlich optischen und ultravioletten Wellenlängen auf – und wenn er den Torus erreicht, gibt es ein „Echo“.
Das optische und ultraviolette Licht wird von der Staubwolke absorbiert, die sich erwärmt und diese Wärmeenergie als Licht im mittleren Infrarotbereich abgibt.
Akkretionsscheiben können riesig sein; Es kann Jahre dauern, bis das Licht den Torus erreicht und wieder ausgesendet wird. Aber da wir die Lichtgeschwindigkeit kennen, können Astronomen die Zeit zwischen dem Flare und dem Echo nutzen, um den Abstand zwischen der Innenkante der Akkretionsscheibe und dem Torus zu berechnen.
Hier wird es richtig clever. Wir wissen, dass der innere Rand der Akkretionsscheibe wahnsinnig heiß ist. Und wir wissen, dass die Scheibe kühler wird, je weiter wir uns vom Schwarzen Loch entfernen.
Wenn die Temperatur auf etwa 1.200 Grad Celsius (2.200 Grad Fahrenheit) sinkt, können sich Staubwolken bilden.
Der Abstand zwischen dem Torus und dem Innenrand der Akkretionsscheibe ist also direkt proportional zu dieser wahnsinnig heißen Temperatur.
Wenn wir die Entfernung kennen, können wir die Temperatur berechnen – und sobald wir die Temperatur kennen, können wir berechnen, wie viel Licht diese Region aussendet. Boom. Eigenhelligkeit. Dieser Link heißt R-L-Beziehung (für Radius und Leuchtkraft).
Nun ja, so einfach wie „Boom“ ist es offensichtlich nicht. Sie müssen ein Schwarzes Loch über lange Zeiträume sehr sorgfältig beobachten, um den optischen/ultravioletten Blitz und das Echo im mittleren Infrarot zu erkennen.
Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Qian Yang von der University of Illinois in Urbana-Champaign durchsuchte Daten aus fast zwei Jahrzehnten, die von bodengestützten optischen Teleskopen gesammelt wurden, um nach dem optischen Blitz zu suchen.
Anschließend untersuchten sie Daten, die zwischen 2010 und 2019 vom Near Earth Object Wide Field Infrarot Survey Explorer der NASA gesammelt wurden, und suchten nach entsprechenden Infraroteruptionen.
Sie identifizierten 587 supermassereiche Schwarze Löcher mit einem optischen Blitz und einem Echo im mittleren Infrarot – die größte Einzeluntersuchung dieser Art.
Und obwohl die Daten noch verfeinert werden können – die Infrarotmessungen deckten nicht den gesamten Infrarotbereich ab, was bedeutet, dass bei den Entfernungsberechnungen eine gewisse Unsicherheit besteht – bestätigten sie, dass die R-L-Beziehung skaliert und dass sich das Echo verhält auf die gleiche Weise über supermassereiche Schwarze Löcher aller Größen in ihrer Stichprobe.
Die Arbeiten zur Verfeinerung der Messungen werden noch andauern.
Das Team arbeitet an der Verbesserung seiner Modelle, um das Verhalten des Staubs und die Art und Weise, wie er Infrarotlicht aussendet, besser einzuschränken. Und natürlich werden laufende Umfragen mit besserer Technologie weiterhin qualitativ hochwertigere Beobachtungen liefern.
„Das Schöne an der Echo-Mapping-Technik ist, dass diese supermassereichen Schwarzen Löcher nicht so schnell verschwinden werden“, Das gesagt . „So können wir die Staubechos immer wieder für dasselbe System messen, um die Entfernungsmessung zu verbessern.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Das Astrophysikalische Journal .