Naukowcy od dawna chcą dowiedzieć się więcej na temat powstawania i ewolucji czarnych dziur. Te badania muszą jednak zacząć od obiektów niewielkich. Zespół astronomów z Uniwersytetu w Michigan donosi o nowym odkryciu, związanym z jednych z takich ciał. To czarna dziura rezydująca w pobliskiej galaktyce NGC 4395. Okazuje się, że jest ona około 40 razy mniejsza niż wcześniej sądzono.
Astronomowie sądzą, że wielkie – tak zwane supermasywne – czarne dziury znajdują się w centrum wszystkich galaktyk co najmniej tak ciężkich, jak Droga Mleczna. Jeszcze ciekawsze wydają się dziś natomiast czarne dziury obecne w dużo mniejszych galaktykach, takich jak NGC 4395. Znajomość masy czarnej dziury znajdującej się w jej w centrum – jak i sama możliwość jej dokładnego pomiaru – może nam pomóc w lepszym zrozumieniu fizyki i ewolucji tych obiektów, dzięki zastosowaniu tej samej techniki pomiarowej do innych czarnych dziur.
Chodzi tu przede wszystkim o galaktyki małe i karłowate. Czy faktycznie większość z nich ma własne centralne czarne dziury, a jeśli tak, to czy ich masy i inne parametry skalują się w taki sam sposób, jak w przypadku supermasywnych czarnych dziur galaktycznych? Odpowiedź na tak postawione pytanie może nam może pomóc w zrozumieniu bardziej ogólnego mechanizmu, dzięki któremu czarne dziury powstawały i gromadziły się we wczesnym Wszechświecie.
Aby określić masę czarnej dziury w NGC 4395 astronomowie wykorzystali metodę opartą na monitorowaniu promieniowania emitowanego przez dysk akrecyjny krążący wokół czarnej dziury. Gdy promieniowanie to przemieszcza się na zewnątrz dysku, przechodzi przez obszar złożony z obłoków materiału zgromadzonego nieco dalej od czarnej dziury, znacznie bardziej rozproszony niż sam dysk akrecyjny. Obszar ten jest nazywany obszarem emisji szerokich linii widmowych AGN.
Gdy promieniowanie uderza w gaz zawarty w takim obszarze emisji szerokich linii, atomy gazu są wzbudzane. Przykładowo, atomy mogą przechodzić na wyższy poziom energii. Po przejściu promieniowania atom taki z czasem powraca jednak do swego pierwotnego stanu. Astronomowie mogą wówczas zaobserwować takie przejście, które wygląda niczym wyraźny błysk jasności. Mogą także zmierzyć, ile czasu zajmuje promieniowaniu przejście z dysku akrecyjnego do obszaru emisji szerokich linii widmowych i wywołanie tam tych charakterystycznych błysków. Dzięki temu da się oszacować, jak daleko od czarnej dziury leży ten obszar emisji.
Wszystkie te dane umożliwiają już wyznaczenie masy czarnej dziury. Uważa się, że odległość dysk akrecyjny-obszar emisji szerokich linii ściśle zależy od masy czarnej dziury – im bardziej jest ona masywna, tym większa odległość do obszaru i tym dłużej światło będzie tam podróżować z dysku.
Astronomowie obliczyli, że potrzeba około 83 minut, by promieniowanie z dysku dotarło do obszaru emisji w NGC 4395. Aby obliczyć masę czarnej dziury, musieli wcześniej zmierzyć prędkość, z jaką obłoki w tym obszarze poruszają się pod wpływem grawitacji czarnej dziury. W tym celu wykorzystali precyzyjne widmo optyczne uzyskane z pomocą spektrometru GMOS, zainstalowanego na teleskopie Gemini North. Znając tę prędkość, prędkość światła i stałą grawitacyjną astronomowie byli w stanie stwierdzić, że masa tej czarnej dziury jest około 10 000 razy większa od masy Słońca – co daje około 40 razy lżejszą czarną dziurę niż wcześniej sądzono.
Jest to również najmniejsza czarna dziura znaleziona opisaną tu metodą. Galaktyki, które mogą posiadać inne niewielkie i mało masywne czarne dziury, są wciąż słabo zbadane pod tym względem. Nowe informacje mogą pomóc astronomom w zrozumieniu, w jaki sposób małe i duże czarne dziury kształtują swe macierzyste galaktyki. Czarne dziury w jakiś sposób wpływają na swe galaktyki w bardzo dużych skalach, ale wciąż nie wiemy zbyt wiele o mniejszych galaktykach i ich mniejszych czarnych dziurach. Dzięki nowym wynikom badań możemy teraz dużo lepiej zrozumieć tę relację.
Czytaj więcej:
- Cały artykuł naukowy w „Nature Astronomy”: A 10,000-solar-mass black hole in the nucleus of a bulgeless dwarf galaxy
- Astronomers determine mass of small black hole at center of nearby galaxy
Źródło: Nature/Michigan News
Na zdjęciu: Galaktyka NGC 4395 zaobserwowana w świetle podczerwonym przez Teleskop Spitzera. Jest ona około 1000 razy mniejsza od Drogi Mlecznej. Źródło: NASA.
