Przejdź do treści

Obserwacje echa świetlnego dysku supermasywnej czarnej dziury jako sposób pomiaru odległości do galaktyk

 Na ilustracji: wizja artystyczna supermasywnej czarnej dziury rezydującej centrum galaktyki otoczonej przez dysk akrecyjny i torus pyłowy. Źródło: NASA/JPL-Caltech.

W centrach większości galaktyk rezydują supermasywne czarne dziury. W materii wirującej wokół tych czarnych dziur obserwuje się błyski światła widzialnego, które mogą również generować echo świetlne w pobliskich obłokach pyłowych – po rozgrzaniu ziaren pyłu i emisji promieniowania w podczerwieni. Obserwacje obu tych strumieni światła mogą służyć jako nowy rodzaj „świecy standardowej” do pomiaru kosmicznych odległości.

W jaki sposób można sprawdzić, czy plamka świetlna widoczna na nocnym niebie jest blisko, czy też daleko? Jednym ze sposobów jest porównanie, ile obiekt faktycznie emituje światła, z tym jaki wydaje się jasny. Różnica pomiędzy rzeczywistą i obserwowaną jasnością pozwala wyznaczyć odległość pomiędzy obiektem i obserwatorem.

Mierzenie jasności ciał niebieskich jest trudne, a szczególnie czarnych dziur, które nie świecą. Supermasywne czarne dziury, które znajdują się w centrum niektórych galaktyk, zapewniają furtkę – często są otoczone dyskami akrecyjnymi, które mogą świecić jasno. Wyznaczenie jasności tego dysku akrecyjnego pozwala oszacować astronomom odległość do czarnej dziury i galaktyki. A poznanie odległości pomaga astrofizykom nie tylko stworzyć lepszą trójwymiarową mapę Wszechświata, ale pozwala wyjaśnić jak oraz kiedy obiekty powstały.

We wrześniu 2020 roku ukazała publikacja w „Astrophysical Journal”, w której autorzy wykorzystali technikę zwaną „mapowaniem echa” (ang. echo mapping), by zmierzyć jasność dysków akrecyjnych wokół supermasywnych czarnych dziur w ponad 500 galaktykach, a następnie wyznaczyć odległość do tych galaktyk.

Ta metoda znana również jako mapowanie odbicia/pogłosu (ang. reverberation mapping) i polega na tym, że dysk z gorącą plazmą (czyli atomy, które utraciły swoje elektrony) w pobliżu czarnej dziury staje się jaśniejszy. Czasami nawet uwalnia się krótkotrwały rozbłysk w świetle widzialnym. Ten błysk światła porusza się na zewnątrz dysku i w końcu dociera do chmury pyłu o kształcie obwarzanka (naukowcy mówią na ten kształt „torus”), która jest powszechnie występującą strukturą w pobliżu większości supermasywnych czarnych dziur.

Jak patrzymy z góry na dysk i torus, to ta struktura jest podobna do swego rodzaju tarczy strzelniczej. Dysk akrecyjny ściśle otacza supermasywną czarną dziurę. Ze wzrostem odległości od czarnej dziury kolejne pierścienie plazmy i gazu stają się coraz chłodniejsze. Aż w końcu pojawia się torus pyłowy, który jest najbardziej rozległym i najbardziej zewnętrznym pierścieniem tej „tarczy strzelniczej”.

Gdy błysk światła widzialnego od dysku akrecyjnego osiąga wewnętrzny brzeg torusa pyłowego, to jest pochłaniany – wywołując jego nagrzewanie się i emisję światła w podczerwieni. To pojaśnienie torusa jest bezpośrednią reakcją lub – jak niektórzy mówią  –„echem” zmian, które dzieją się w dysku akrecyjnym.

Supermasywna czarna dziura otoczona przez dysk akrecyjny i torus pyłowy - mechanizm powstawania echa w podczerwieni na brzegu dysku pyłowego po wcześniejszym rozbłysku w zakresie optycznym w dysku akrecyjnym. Źródło: NASA/JPL-Caltech.

Rysunek prezentuje metodę astrofizyczną zwaną „mapowaniem echa” (ang. echo mapping) znane również jako mapowanie odbicia/pogłosu (ang. reverberation mapping).
(1) W środku znajduje się supermasywna czarna dziura otoczona przez dysk akrecyjny i torus pyłowy.
(2) Nagrzana materia otaczająca supermasywną czarną dziurę emituje błysk widzialnego światła.
(3) Niebieskie strzałki pokazują, że światło widzialne tego błysku porusza się od czarnej dziury w stronę zarówno obserwatora na Ziemi, jak i torusa pyłowego.
(4) Następuje absorpcja światła widzialnego przez ziarna pyłu, nagrzanie się i reemisja fotonów w zakresie podczerwonym. To pojaśnienie pyłu jest bezpośrednią odpowiedzią (... jak niektórzy mówią: „echem”) na zmiany w dysku akrecyjnym. Czerwone strzałki pokazują światło w zakresie podczerwonym poruszające się w tym samym kierunku co początkowy błysk światła widzialnego, czyli w stronę Ziemi. Dlatego obserwator na Ziemi zaobserwuje najpierw pojaśnienie obiektu w zakresie widzialnym, a potem w podczerwieni.

Źródło: NASA/JPL-Caltech.


 

Odległość od dysku akrecyjnego supermasywnej czarnej dziury do torusa może być ogromna – liczona w miliardach lub bilionach kilometrów. Nawet światło mknące z prędkością około 300 tysięcy km/s potrzebuje miesięcy lub lat, by pokonać ten dystans. Jeżeli astronomowie zaobserwują początkowy błysk światła widzialnego z dysku akrecyjnego, a następnie rozjaśnienie w podczerwieni torusa pyłowego, to mogą zmierzyć czas, który potrzebują fotony światła by przemieścić się pomiędzy tymi strukturami. Światło podróżuje ze stałą prędkością około 300 tys. km/s, więc ta informacja pozwala również wyznaczyć odległość pomiędzy dyskiem i torusem.

Następnie naukowcy wykorzystują tą odległość do obliczenia jasności dysku akrecyjnego (... i w teorii – odległości do Ziemi) w następujący sposób: 
a) Temperatura w obszarze dysku akrecyjnego położonym najbliżej supermasywnej czarnej dziury osiąga kilkadziesiąt tysięcy stopni. Jest to tak wysoka temperatura, że nawet atomy są pozbawione elektronów (zjonizowane). W tych warunkach nie może uformować się pył. Ogrzewanie z dysku podnosi temperaturę obszaru wokół niego jak ognisko w zimną noc. W miarę, gdy oddalamy się od czarnej dziury, temperatura stopniowo spada.
b) Astronomowie wiedzą, że pył formuje się wtedy, gdy temperatura otoczenia spadnie do 1200 ºC. Im większe jest to „ognisko” (tzn. im więcej energii produkuje dysk akrecyjny), tym dalej powstają ziarna pyłu. Mierząc więc odległość pomiędzy dyskiem akrecyjnym i torusem ujawniamy ilość energii produkowaną przez dysk, która jest wprost proporcjonalna do jego jasności.

Ze względu na to, że światło potrzebuje miesięcy, a nawet lat by pokonać odległość dysk akrecyjny – torus pyłowy, astronomowie potrzebują obserwacji obejmujących dziesięciolecia. Autorzy omawianej publikacji wyznaczyli odległości do galaktyk, których kosmologiczne przesunięcie ku czerwieni „z” jest w zakresie 0.3 < z < 2. Oznacza to, że w układzie odniesienia obserwatora na Ziemi czas trwania tych zjawisk wydłuża się nawet kilkakrotnie. Autorzy wykorzystali obserwacje supermasywnych czarnych dziur w zakresie widzialnym z dwóch dziesięcioleci. Zostały one wykonane za pomocą kilku teleskopów na Ziemi.

Promieniowanie podczerwone obserwował teleskop satelitarny NEOWISE (skrót od Near Earth Object Wide Field Infrared Survey Explorer), który w początkowym okresie tej misji nazywał się WISE (lata 2009–2011). Główny celem misji NEOWISE działającej od września 2013 roku jest poszukiwanie NEO (skrót od Near Earth Object), czyli obiektów przelatujących w pobliżu Ziemi, które mogą zagrozić naszej cywilizacji. Ten satelita wykonuje przegląd całego nieba w podczerwieni raz na sześć miesięcy, dostarczając astronomom cyklicznie materiał obserwacyjny do poszukiwań echa świetlnego w odległych galaktykach.
Do publikacji użyto 14 przeglądów nieba NEOWISE/WISE z lat 2010–2019. Okazało się, że w niektórych galaktykach światło potrzebowało więcej niż 10 lat, by pokonać odległość dysk akrecyjny – torus pyłowy. Jest to najdłuższe echo jakie do tej pory udało zmierzyć się w galaktyce poza Drogą Mleczną. Dla porównania w naszej Drodze Mlecznej udało zaobserwować się echo świetlne ponad 400 lat od wybuchu supernowej obserwowanej przez Tycho de Brahe w 1572 roku.

Galaktyki, odległe galaktyki...

Pomysł na wykorzystanie mapowania echa do pomiarów odległości do dalekich galaktyk nie jest nowy, ale napotyka znaczne przeszkody w realizacji. Największa do tej pory analiza potwierdza, że mapowane echa wyglądają podobnie we wszystkich galaktykach – niezależnie od masy supermasywnej czarnej dziury, która może znacznie się zmieniać. Z tym, że ta technika nie jest jeszcze gotowa do powszechnego użycia.

Zdaniem autorów wyznaczone odległości nie są dokładne z kilku powodów. Konieczne zwłaszcza jest dokładniejsze zrozumienie struktury wewnętrznych obszarów obwarzanków pyłowych okrążających czarną dziurę. Ta struktura może mieć wpływ na specyficzne długości fali światła emitowanego przez pył w zakresie podczerwonym.

Obserwacje satelity WISE nie pokrywają całego zakresu podczerwonego i szerszy zakres danych poprawiłby wyznaczanie odległości tą techniką. Około 2025 roku zostanie umieszczony na orbicie satelita Nancy Grace Roman Space Telescope, który będzie obserwował w innych długościach fali w zakresie podczerwonym niż WISE. NASA planuje wystrzelenie satelity SPHEREx (skrót od: Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer), który będzie obserwował niebo w różnych pasmach podczerwieni – co również może pomóc udoskonalić tę technikę wyznaczania odległości.

Piękno techniki mapowania echa polega na tym, że supermasywne czarne dziury nigdzie się nie wybierają w najbliższym czasie –mówi Qian Yang, główny autor publikacji i zarazem astrofizyk z University of Illinois w USA, odnosząc się do faktu, że dyski akrecyjne czarnych dziur mogą pokazywać rozbłyski przez tysiące, a nawet miliony lat – Więc możemy cały czas obserwować echa pyłowe tych samych obiektów, poprawiając wyznaczenia odległości – dodaje.

Obecnie wyznaczenia odległości z użyciem jasności można przeprowadzać dla obiektów, których jasność jest znana, czyli tzw. „świec standardowych”. Przykładem mogą być wybuchające gwiazdy zwane supernowymi Ia, bez których nie byłoby odkrycia ciemnej energii (nazwa nadana tajemniczej sile stojącej za przyspieszaniem rozszerzania się Wszechświata). Wszystkie supernowe Ia mają prawie taką samą jasność, więc astronomowie potrzebują zmierzyć tylko ich jasność obserwowaną, by policzyć odległość do Ziemi.

Jeśli chodzi o inne świece standardowe, to astronomowie mogą zmierzyć właściwości obiektu, by na tej podstawie wydedukować jego indywidualną jasność. Podobnie jest z mapowaniem echa, gdzie każdy dysk akrecyjny jest unikalny i niepowtarzalny, ale ta technika wyznaczania jasności jest taka sama. Korzyścią z używania wielu świec standardowych jest możliwość porównania wyznaczeń odległości, by potwierdzić ich dokładność, ponieważ każda świeca standardowa ma swoje wady i zalety.

– Pomiary kosmicznych odległości są podstawowym wyzwaniem w astronomii. Więc możliwość posiadania dodatkowego asa w rękawie jest bardzo ekscytująca – powiedział Yue Shen, współautor publikacja i astrofizyk z University of Illinois w USA.


Opracowanie: Ryszard Biernikowicz


Więcej informacji:


Publikacja naukowa: Dust Reverberation Mapping in Distant Quasars from Optical and Mid-infrared Imaging Surveys
ArXiv:  Dust Reverberation Mapping in Distant Quasars from Optical and Mid-Infrared Imaging Surveys 
'Echo Mapping' in Faraway Galaxies Could Measure Vast Cosmic Distances
Animacja NASA: Echo Mapping in a Black Hole Accretion Disk an Torus


Źródło: NASA

Na ilustracji: wizja artystyczna supermasywnej czarnej dziury rezydującej w centrum galaktyki otoczonej przez dysk akrecyjny i torus pyłowy. Źródło: NASA/JPL-Caltech.