Süper kütleli bir kara deliğin birikim diskinin eteklerine ilişkin ilk gözlemler

Hiçbir şey bir galaksinin görüntüsüne bakmak kadar varoluşsal bir sarmal perspektifi uyandıramaz. İlk bakışta bu görkemli yapılar oldukça sakin görünebilir. Ancak aslında birçok galaksinin merkezi, aktif olarak beslenen süper kütleli bir kara deliği içeren çalkantılı bir ortamdır.

Bu akıl almaz derecede yoğun nesnelerin yörüngesinde dönen gaz ve toz birikim diskleri kara deliği besler ve yüksek enerjili gama ışınlarından X-ışınlarına, görünür ışıktan kızılötesine ve radyo dalgalarına kadar tüm elektromanyetik spektrum boyunca bol miktarda enerji yayar. dalgalar.

Birikme disklerini incelemek, gökbilimcilerin kara deliklere ve onlara ev sahipliği yapan galaksilerin evrimine ilişkin anlayışını geliştirebilir. Bununla birlikte, çoğu birikim diskinin aşırı uzaklıkları ve nispeten küçük boyutları nedeniyle doğrudan görüntülenmesi imkansızdır. Bunun yerine gökbilimciler diskin boyutunu ve davranışını karakterize etmek için diskin içinden yayılan ışık spektrumunu kullanıyor.

Bu yaklaşımı kullanarak, NSF’nin NOIRLab’ı tarafından işletilen Uluslararası Gemini Gözlemevi’nin yarısı olan Gemini North teleskopunu kullanan gökbilimciler, III Zw 002 galaksisinin birikim diskindeki iki yakın-kızılötesi emisyon hattının şimdiye kadarki ilk tespitini gerçekleştirdiler. Bu muhteşem yapıların boyutlarına yeni sınır getirildi.

Bu gözlemleri anlamak için öncelikle emisyon çizgilerinin ne olduğunu ve süper kütleli kara deliklerin etrafındaki bölgeler hakkında bize neler söylediklerini tartışarak bir temel oluşturalım.

Emisyon çizgileri, uyarılmış durumdaki bir atomun daha düşük bir enerji seviyesine düşmesiyle ortaya çıkar ve bu süreçte ışık açığa çıkar. Her atomun benzersiz bir enerji seviyesi seti olduğundan, yayılan ışık, kökenini tanımlayan bir parmak izi gibi davranan ayrı bir dalga boyuna sahiptir. Emisyon çizgileri genellikle spektrumlarda ince, keskin sivri uçlar halinde görünür.

Ancak, uyarılmış gazın süper kütleli kara deliğin çekimsel etkisi altında olduğu ve saniyede binlerce kilometre hızla hareket ettiği bir birikim diskinin dönen girdabında, emisyon çizgileri daha sığ zirvelere doğru genişliyor. Bu çizgilerin oluştuğu birikim diski bölgesine geniş çizgi bölgesi adı verilir.

Daha önce de belirtildiği gibi, Olay Ufku Teleskobu’nun yüksek açısal çözünürlük kapasitesi sayesinde yalnızca iki kaynağın görüntülenmesi nedeniyle, birikim disklerinin doğrudan görüntülenmesi son derece zordur. Peki, küresel bir radyo teleskop ağına erişimi engelleyen gökbilimciler, süper kütleli bir kara deliğin çevresinde bir disk olduğunu nasıl biliyorlar? Birikme diskinin kanıtının, çift tepeli profil olarak adlandırılan geniş emisyon çizgilerinin belirli bir modelinde bulunabileceği ortaya çıktı.

Disk döndüğü için bir taraftaki gaz gözlemciden uzaklaşırken diğer taraftaki gaz gözlemciye doğru hareket ediyor. Bu göreceli hareketler emisyon çizgilerini sırasıyla daha uzun ve daha kısa dalga boylarına kadar uzatır ve sıkıştırır. Sonuçta, biri hızla dönen diskin her iki yanından çıkan, iki farklı tepe noktasına sahip genişletilmiş bir çizgi ortaya çıkar.

Bu çift tepeli profiller, oluşumları neredeyse doğrudan gözlemlenebilen kaynaklarla sınırlı olduğundan, nadir görülen bir olgudur. Gözlemlendiği birkaç kaynakta, H-alfa ve H-beta çizgilerinde çift tepe bulunmuştur; bunlar görünür dalga boyu aralığında görünen hidrojen atomlarından gelen iki emisyon çizgisidir.

Süper kütleli kara deliğin yakınındaki geniş çizgi bölgesinin iç bölgesinden kaynaklanan bu çizgiler, birikim diskinin bütünüyle ne kadar büyük olduğuna dair hiçbir kanıt sunmuyor. Ancak yakın kızılötesindeki son gözlemler, dış geniş çizgi bölgesinin daha önce hiç görülmemiş bir bölgesini ortaya çıkardı.

Denimara Dias dos Santos, Ph.D. Brezilya’daki Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais öğrencisi ve makalenin baş yazarı, Brezilya’daki Laboratório Nacional de Astrofísica araştırmacıları Alberto Rodriguez-Ardila, Swayamtrupta Panda ve Murilo Marinello ile işbirliği içinde, yakınlardaki iki şeyin ilk kesin tespitini yaptı. -III Zw 002’nin geniş çizgi bölgesindeki kızılötesi çift tepeli profiller.

Paschen-alfa (hidrojen) çizgisi, geniş çizgi bölgesinin iç bölgesinden kaynaklanır ve OI (nötr oksijen) çizgisi, daha önce hiç gözlemlenmemiş bir bölge olan geniş çizgi bölgesinin eteklerinden kaynaklanır. Bunlar yakın kızılötesinde bulunan ilk çift tepeli profillerdir ve Gemini Yakın Kızılötesi Spektrografı (GNIRS) ile yapılan gözlemler sırasında beklenmedik bir şekilde ortaya çıkmıştır.

III Zw 002’nin 2003 yılındaki gözlemleri görünürde bir birikim diskinin kanıtını ortaya çıkardı ve 2012 yılında yapılan bir araştırma da benzer sonuçlar buldu. 2021 yılında Rodriguez-Ardila ve ekibi, bu bulguları, yakın kızılötesi spektrumun tamamını (800-2500 nanometre) tek seferde gözlemleyebilen GNIRS’i kullanarak yakın kızılötesindeki gözlemlerle desteklemek için yola çıktı.

Diğer cihazlar, kullanıcının aynı aralığı kapsamak için birden fazla filtre arasında geçiş yapmasını gerektirir; bu da zaman alıcı olabilir ve atmosferik koşullar ve kalibrasyonlar gözlemler arasında değiştikçe potansiyel olarak belirsizlik yaratabilir.

GNIRS, birden fazla ışık bandında eş zamanlı gözlemler yapabildiğinden ekip, birden fazla çift tepeli profilin ortaya çıktığı tek bir temiz, tutarlı biçimde kalibre edilmiş spektrumu yakalayabildi. Rodriguez-Ardila, “Daha önce III Zw 002’nin bu çift tepeli profile sahip olduğunu bilmiyorduk, ancak verileri azalttığımızda çift tepeyi çok net bir şekilde gördük” dedi. “Aslında bir hata olabileceğini düşünerek verileri defalarca azalttık ama her seferinde aynı heyecan verici sonucu gördük.”

Bu gözlemler yalnızca bir birikim diskinin teorik varlığını doğrulamakla kalmıyor, aynı zamanda gökbilimcilerin geniş çizgi bölgesi hakkındaki anlayışını da geliştiriyor.

Rodriguez-Ardila, “İlk defa, bu tür çift tepeli profillerin tespiti, bir bölgenin geometrisi üzerinde başka türlü çözülmesi mümkün olmayan katı kısıtlamalar getiriyor” dedi. “Ve artık aktif bir galaksinin beslenme sürecine ve iç yapısına dair net kanıtlarımız var.”

Bu gözlemleri mevcut disk modelleriyle karşılaştıran ekip, III Zw 002’nin süper kütleli kara deliği ve geniş çizgi bölgesinin daha net bir resmini sağlayan parametreleri çıkarmayı başardı.

Model, Paschen-alfa çizgisinin 16,77 ışık günü yarıçapından (süper kütleli kara delikten ölçülen ışığın bir Dünya gününde kat ettiği mesafe) ve OI çizgisinin 18,86 ışık günü yarıçapından başladığını göstermektedir. Ayrıca geniş çizgi bölgesinin dış yarıçapının 52,43 ışık günü olduğu tahmin ediliyor. Model aynı zamanda III Zw 002’nin geniş çizgi bölgesinin Dünya’daki gözlemcilere göre 18 derecelik bir eğim açısına sahip olduğunu ve merkezindeki süper kütleli kara deliğin güneşimizin kütlesinin 400-900 milyon katı olduğunu gösteriyor.

Rodriguez-Ardila, “Bu keşif bize, bu özel galaksideki geniş çizgi bölgesinin yapısı ve davranışı hakkında değerli bilgiler veriyor ve aktif galaksilerdeki süper kütleli kara deliklerin etrafında meydana gelen büyüleyici olaylara ışık tutuyor” dedi.

Bu keşfin ardından Dias dos Santos, Rodriguez-Ardila, Panda ve Marinello, birikim diskinin süper kütleli kara deliğin etrafında bir devinim paterni izlemesi beklendiğinden şimdi III Zw 002’yi izliyor. Devinim mavi ve kırmızı tepe noktalarında farklı yoğunluklara neden olduğundan çizgi profillerinin zamanla nasıl değiştiğini görmek istiyorlar. Şu ana kadar model onların gözlemleriyle tutarlı kaldı. Bu sonuçlar aynı zamanda diğer AGN’leri incelemek için yakın kızılötesi algılamanın kullanılması olasılığını da ortaya çıkarıyor.

Çalışma şu adreste yayınlandı: Astrofizik Günlük Mektupları.