Вещество, вращающееся вокруг сверхмассивных черных дыр, создает вспышки света, которые “отражаются” в соседних пылевых облаках. Эти движущиеся сигналы могли бы служить новым космическим мерилом.
Когда вы смотрите на ночное небо, как вы узнаете, являются ли пятна света, которые вы видите, яркими и далекими или относительно слабыми и близкими? Один из способов выяснить это-сравнить, сколько света на самом деле излучает объект, с тем, насколько ярким он кажется. Разница между его истинной яркостью и видимой яркостью показывает расстояние объекта от наблюдателя.
Измерение светимости небесного объекта является сложной задачей, особенно с черными дырами, которые не излучают свет. Но сверхмассивные черные дыры, лежащие в центре большинства галактик, предоставляют лазейку: они часто притягивают много материи вокруг себя, образуя горячие диски, которые могут ярко излучать. Измерение яркости яркого диска позволило бы астрономам измерить расстояние до черной дыры и галактики, в которой она живет. Измерения расстояний не только помогают ученым создать лучшую трехмерную карту Вселенной, но и дают информацию о том, как и когда образовались объекты.
В новом исследовании астрономы использовали метод, который некоторые прозвали “Эхо-картирование”, чтобы измерить светимость дисков черных дыр в более чем 500 галактиках. Опубликованное в журнале Astrophysical Journal в сентябре 2020 года исследование подтверждает идею о том, что этот подход может быть использован для измерения расстояний между Землей и этими далекими галактиками.
Процесс Эхо-картирования, также известный как реверберационное картирование, начинается, когда диск горячей плазмы (атомы, потерявшие свои электроны) вблизи черной дыры становится ярче, иногда даже испуская короткие вспышки видимого света (то есть длины волн, которые могут быть видны человеческим глазом). Этот свет удаляется от диска и в конечном итоге сталкивается с общей чертой большинства сверхмассивных систем черных дыр: огромным облаком пыли в форме пончика (также известным как Тор). Вместе диск и Тор образуют своего рода яблочко, с аккреционным диском, плотно обернутым вокруг черной дыры, за которым следуют последовательные кольца немного более холодной плазмы и газа, и, наконец, пылевой Тор, который составляет самое широкое, самое внешнее кольцо в яблочке. Когда вспышка света от аккреционного диска достигает внутренней стенки пыльного Тора, свет поглощается, заставляя пыль нагреваться и выделять инфракрасный свет. Это просветление Тора является прямым ответом или, можно сказать, “эхом” изменений, происходящих в диске.
Расстояние от аккреционного диска до внутренней части пылевого Тора может быть огромным — миллиарды или триллионы миль. Даже свету, движущемуся со скоростью 186 000 миль (300 000 километров) в секунду, могут потребоваться месяцы или годы, чтобы пересечь его. Если астрономы могут наблюдать как начальную вспышку видимого света в аккреционном диске, так и последующее инфракрасное свечение в Торе, они также могут измерить время, которое потребовалось свету, чтобы пройти между этими двумя структурами. Поскольку свет движется со стандартной скоростью, эта информация также дает астрономам расстояние между диском и Тором.
Галактики Далеко-Далеко
Идея использовать Эхо-картирование для измерения расстояния от Земли до далеких галактик не нова, но исследование делает существенные шаги в демонстрации ее осуществимости. Это крупнейшее в своем роде исследование подтверждает, что Эхо-картирование происходит одинаково во всех галактиках, независимо от таких переменных, как размер черной дыры, который может значительно варьироваться во Вселенной. Но техника еще не готова к прайм-тайму.
Из за множества факторов авторские измерения расстояния недостаточно точны. Прежде всего, по словам авторов, им нужно больше узнать о структуре внутренних областей пылевого пончика, окружающего черную дыру. Эта структура может влиять на такие вещи, как то, какие конкретные длины волн инфракрасного света испускает пыль, когда свет впервые достигает ее.
Данные WISE не охватывают весь инфракрасный диапазон длин волн, и более широкий набор данных может улучшить измерения расстояния. Космический телескоп NASA Nancy Grace Roman, запуск которого намечен на середину 2020-х годов, будет обеспечивать целенаправленные наблюдения в различных инфракрасных диапазонах длин волн. Предстоящая миссия агентства SPHEREx (которая расшифровывается как Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization и Ices Explorer) будет исследовать все небо в нескольких инфракрасных длинах волн, а также может помочь улучшить эту технику.
“Прелесть метода Эхо-картирования заключается в том, что эти сверхмассивные черные дыры не исчезнут в ближайшее время”, - сказал Цянь Ян, исследователь из Иллинойского университета в Урбана-Шампейне и ведущий автор исследования, ссылаясь на тот факт, что диски черных дыр могут испытывать активное вспыхивание в течение тысяч или даже миллионов лет. - Таким образом, мы можем измерять Эхо пыли снова и снова для одной и той же системы, чтобы улучшить измерение расстояния.”
Измерения расстояния на основе светимости уже можно проводить с объектами, известными как “стандартные свечи”, которые имеют известную светимость. Одним из примеров является тип взрывающейся звезды, называемой сверхновой типа 1А, которая сыграла решающую роль в открытии темной энергии (название, данное таинственной движущей силе ускоряющегося расширения Вселенной). Все сверхновые типа 1А имеют примерно одинаковую светимость, поэтому астрономам достаточно измерить их видимую яркость, чтобы вычислить расстояние до Земли.
С помощью других стандартных свечей астрономы могут измерить свойство объекта, чтобы вывести его специфическую светимость. Так обстоит дело с Эхо-картированием, где каждый аккреционный диск уникален, но методика измерения светимости одна и та же. У астрономов есть преимущества в использовании нескольких стандартных свечей, например, возможность сравнивать измерения расстояния, чтобы подтвердить их точность, и каждая стандартная свеча имеет сильные и слабые стороны.
“Измерение космических расстояний-это фундаментальная задача в астрономии, поэтому возможность иметь дополнительный трюк в рукаве очень увлекательна”,-сказал Юэ Шэнь, также исследователь из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и соавтор статьи.
***
Фотографии взяты из открытых источников, с сервиса Яндекс.Картинки
Подписывайся на канал. Впереди много интересной информации.