Bir kuasarın şematik gösterimi. Merkezdeki sıcak yığılma diski, burada görünmeyen kara deliği çevreliyor. Yoğun bir gaz ve toz dağılımı onu çevreler, burada tek tek iyonize gaz bulutları kara deliğin yörüngesinde yüksek hızda döner. Toplanma diskinin yoğun ve yüksek enerjili radyasyonuyla uyarılan bu bulutlar, Doppler etkisi nedeniyle genişleyen spektral çizgiler şeklinde radyasyon yayar. Bu gaz bulutlarının bölgesi bu nedenle geniş emisyon hattı bölgesi (BLR) olarak adlandırılır. Kredi: Grafik departmanı/Bosco/MPIA
Süper kütleli kara deliklerin kütlelerini belirlemek için yeni, doğrudan bir yöntemin test edilmesi.
Max Planck Astronomi Enstitüsü’nün gökbilimcileri, kuasarlardaki aşırı kara deliklerin kütlelerini belirlemek için ilk kez yeni bir yöntemi başarıyla test ettiler. Bu yöntem spektroastrometri olarak adlandırılır ve süper kütleli karadeliklerin çevresinde gaz tarafından yayılan radyasyonun ölçülmesine dayanır. Bu ölçüm, aynı anda yayılan gazın dönme hızını ve malzemenin aktığı toplanma diskinin merkezinden olan mesafesini belirler. Kara delik. Diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında, spektroastrometri, modern büyük teleskoplarla yapıldığında nispeten basit ve verimlidir. Bu yöntemin yüksek hassasiyeti, erken Evren’deki parlak kuasarların ve süper kütleli karadeliklerin çevresini araştırmaya izin verir.
Kozmolojide, genç Evrendeki süper kütleli karadeliklerin kütlesini belirlemek, kozmosun zamansal evrimini izlemek için önemli bir ölçümdür. Şimdi Felix Bosco, hem Heidelberg’deki Max Planck Astronomi Enstitüsü’nden (MPIA) Jörg-Uwe Pott, hem de eski MPIA araştırmacıları Jonathan Stern (şimdi Tel Aviv Üniversitesi, İsrail) ve Joseph Hennawi (şimdi UC Santa Barbara; ABD ve Leiden Üniversitesi, Hollanda), ilk kez bir kuasarın kütlesini spektroastrometri kullanarak doğrudan belirlemenin fizibilitesini göstermeyi başardı.
Bu yöntem, ışıklı kuasarlardaki uzak kara deliklerin kütlesinin, gazın uzaysal dağılımı hakkında kapsamlı varsayımlara gerek kalmadan doğrudan optik spektrumdan belirlenmesine izin verir. Kuasar kütlelerinin spektroastrometrik ölçümlerinin muhteşem uygulamaları, birkaç yıl önce MPIA’da sistematik olarak araştırıldı.
Kuasarlar: Evrenin işaretçileri
Kuasarlar, galaksilerin merkezlerinde süper kütleli kara delikler içerir ve en parlak kozmik nesneler arasındadır. Bu nedenle, büyük mesafelerde tespit edilebilirler ve böylece erken Evrenin keşfedilmesini sağlarlar.
Bir kara deliğin yakınında gaz varsa, doğrudan içine düşemez. Bunun yerine, maddenin kara deliğe akmasına yardımcı olan bir girdap olan bir yığılma diski oluşur. Sonunda kara deliği besleyen bu gaz akışındaki yüksek sürtünme kuvvetleri, toplanma diskini tipik olarak elli bin dereceye kadar ısıtır. Bu süreçte yayılan radyasyonun yoğunluğu, kuasarların galaksideki tüm yıldızları gölgede bırakacak kadar parlak görünmesini sağlar.
Kuasarlardaki diğer bileşenler, iyonize gaz bulutlarının saniyede birkaç bin kilometre hızla merkezi kara deliğin yörüngesinde döndüğü bir bölge olan “geniş emisyon hattı bölgesi” (BLR) gibi onlarca yıldır bilinmektedir. Biriktirme diskinden gelen yoğun ve enerjik radyasyon, spektrumlarda spektral çizgiler şeklinde görülebilen BLR’deki gazdan emisyonu uyarır. Bununla birlikte, Doppler etkisi nedeniyle, yüksek yörünge hızları tarafından güçlü bir şekilde genişletilirler ve böylece BLR’ye adını verirler.
Kara delik kütlelerini ölçmek için yeni bir yöntem
Şimdi, Felix Bosco ve meslektaşları, Kova takımyıldızındaki J2123-0050 kuasarının BLR’sindeki optik olarak en parlak hidrojen tayf çizgisini (Ha) ölçtüler. Işığı, Evrenin sadece 2,9 milyar yaşında olduğu bir zamandan kaynaklanıyor. Spektroastrometri yöntemini kullanarak, BLR’deki radyasyon kaynağının yığılma diskinin merkezine varsayılan mesafesini, potansiyel süper kütleli kara deliğin konumunu belirlediler. Aynı zamanda Ha çizgisi, hidrojen gazının radyal hızını, yani Dünya’yı işaret eden hız bileşenini sağlar. Tıpkı Güneş’in kütlesinin güneş sistemindeki gezegenlerin yörünge hızlarını belirlemesi gibi, gaz dağılımı uzamsal olarak çözülebilirse, kuasarın merkezindeki kara deliğin kütlesi bu verilerden kesin olarak çıkarılabilir.
Spektroastrometri sinyalinin kaynağının şematik gösterimi. İyonize gaz hareketsiz olsaydı, BLR boyunca spektral çizginin aynı dalga boyunu ölçerdik. Ancak gaz bulutları kara deliğin yörüngesinde döner. Yandan bakıldığında bir yandan bize doğru gelirken diğer yandan tekrar uzaklaşırlar. Sonuç olarak, spektral sinyal bir tarafta daha kısa dalga boylarına doğru maviye kaymış görünür. Öte yandan, daha uzun dalga boylarına doğru kırmızıya kaydırılır. BLR boyunca konuma bağlı olarak ölçülen dalga boyundaki bu fark, yukarıda belirtilen spektroastrometri sinyaliyle sonuçlanır. Bundan, araştırmacılar, gözlemlenen BLR bulutlarının kuasarın merkezinden maksimum mesafesini ve oradaki hakim hızı belirleyebilirler. Kredi: Grafik departmanı/Bosco/MPIA
Bununla birlikte, günümüzün büyük teleskopları için bile, BLR’nin kapsamı bunun için çok küçüktür. Felix Bosco, “Ancak, toplanan ışıktaki spektral ve uzamsal bilgileri ayırarak ve ayrıca ölçülen verileri istatistiksel olarak modelleyerek, toplama diskinin merkezinden bir görüntü pikselinden çok daha az mesafeler elde edebiliriz,” diye açıklıyor. Gözlemlerin süresi, ölçümün kesinliğini belirler.
J2123-0050 için gökbilimciler, en fazla 1.8 milyar güneş kütlesine sahip bir kara delik kütlesi hesapladılar. MPIA’daki “Kara Delikler ve Toplanma Mekanizmaları” çalışma grubunun ortak yazarı ve başkanı Jörg-Uwe Pott, “Kesin kütle tespiti henüz bu ilk gözlemlerin ana hedefi değildi” diyor. “Bunun yerine, spektroastrometri yönteminin, günümüzde halihazırda mevcut olan 8 metrelik teleskopları kullanarak, merkezi kuasar kütlelerinin kinematik imzasını prensipte tespit edebildiğini göstermek istedik.” Spektroastrometri, bu nedenle, araştırmacıların kara delik kütlelerini belirlemek için kullandıkları araçlara değerli bir katkı olabilir. Joe Hennawi şunları ekliyor: James Webb Uzay Teleskobu (JWST) ve şu anda yapım aşamasında olan Aşırı Büyük Teleskop (39 metrelik birincil ayna çapına sahip ELT), yakında en yüksek kırmızıya kaymalarda kuasar kütlelerini belirleyebileceğiz.” ELT’nin ilk yakın-kızılötesi kamerası MICADO’ya Heidelberg katkılarına da öncülük eden Jörg-Uwe Pott, “Şimdi yayınlanan fizibilite çalışması, planlı ELT araştırma programlarımızı tanımlamamıza ve hazırlamamıza yardımcı oluyor” diye ekliyor.
Klasik yöntemlere değerli katkı spektroastrometri
Yakındaki kuasarlarda BLR araştırması için alternatifler arasında yaygın olarak kullanılan bir yöntem vardır: “Yansıma Haritalaması” (RM). Birikme diskindeki herhangi bir parlaklık dalgalanmasının, çevreleyen gazı artan radyasyona uyarmak için ihtiyaç duyduğu ışık geçiş süresini kullanır. Bundan, gökbilimciler BLR’nin ortalama kapsamını tahmin ediyor. Varsayımlardaki bazen önemli belirsizliklerin yanı sıra, bu yöntemin en büyük ve uzak kara delikleri araştırırken spektroastrometriye kıyasla belirleyici dezavantajları vardır. BLR’nin çapı, merkezi kara deliğin kütlesi ile ilişkilidir. Bu nedenle, toplanma diski ile BLR arasındaki sinyal gecikmesi, erken Evren’deki devasa kara delikler için çok büyük hale gelir. Birkaç yıllık gerekli ölçüm dizisi pratik olmayan şekilde uzun hale gelir.
Ayrıca, parlaklık dalgalanmaları ve ölçülebilirlik, artan kara delik kütlesi ve kuasar parlaklığı ile azalma eğilimindedir. Bu nedenle RM yöntemi, parlak kuasarlara nadiren uygulanabilir. Sonuç olarak, büyük kozmolojik mesafelerde kuasarları ölçmek için uygun değildir.
Hawaii, ABD’deki Gemini North teleskopunun kubbesinin fotoğrafı. Bu teleskop, 8.1 metrelik bir birincil ayna çapına ve uyarlanabilir optiklerle birlikte atmosferin gözlemler üzerindeki etkisini en aza indirmeye yardımcı olan bir lazer kılavuz yıldızına sahiptir. Spektroastrometri fizibilite çalışması için Gemini North kullanıldı. Kredi: İkizler Gözlemevi
Bununla birlikte, RM, önce yakındaki kuasarlar için kurulan ve daha sonra büyük kara deliklere sahip daha uzak, aydınlık kuasarlara genişletilen diğer dolaylı yöntemleri kalibre etmek için bir temel görevi görür. Bu dolaylı yaklaşımların kalitesi, kesinlik RM yöntemi. Burada da spektroastrometri, büyük kara deliklerin kütle belirlemesini daha geniş bir temele oturtmaya yardımcı olabilir. Örneğin, J2123-0050’den elde edilen verilerin değerlendirilmesi, BLR’nin boyutu ile başlangıçta oldukça yakın, sönük kuasarlar için RM yöntemiyle kurulan kuasar parlaklığı arasındaki korelasyonun, aslında ışıklı kuasarlar için de geçerli olduğunu gösteriyor. Ancak burada daha fazla ölçüme ihtiyaç vardır.
BLR ayrıca yakındaki aktif gökadalarda, örneğin GRAVITY aletiyle olduğu gibi interferometrik olarak da ölçülebilir. Çok Büyük Teleskop Girişim ölçer (VLTI). Bununla birlikte, spektroastrometrinin en büyük avantajı, yalnızca tek bir yüksek hassasiyetli gözlemin gerekli olmasıdır. Ek olarak, ne interferometrinin gerektirdiği gibi birkaç teleskopun teknik olarak çok karmaşık bağlanmasını ne de RM’de olduğu gibi aylar ve yıllar boyunca uzun bir dizi ölçüm gerektirir. Örneğin, bir lazer kılavuz yıldız ve uyarlanabilir optikten oluşan bir düzeltme sistemi tarafından desteklenen Hawaii’deki 8 metrelik Gemini Kuzey teleskopu ile dört saatlik bir maruz kalma süresine sahip tek bir gözlem dizisi, liderliğindeki araştırma grubu için yeterliydi. Felix Bosco’nun fotoğrafı.
Erken Evrenin keşfine yeni bir kapı açmak
Araştırmacılar, yeni nesil büyük optik teleskoplar için yüksek umutlara sahipler. ESOELT. Büyütülmüş bir ışık toplama yüzeyi ile beş kat artırılmış görüntü keskinliğini birleştirmek, burada sunulan gözlemi ELT’de sadece birkaç dakika içinde mümkün kılacaktır. Felix Bosco şöyle açıklıyor: “Tek bir gecede farklı mesafelerdeki çok sayıda kuasarları astrometrik olarak ölçmek için ELT’yi kullanacağız ve bu da kara delik kütlelerinin kozmolojik evrimini doğrudan gözlemlememize olanak tanıyacak.” Başarılı astrometrik fizibilite çalışmasıyla yazarlar, erken Evrenin keşfine yeni bir kapı açtılar.
Referanslar:
“100 µas Quasar Geniş Hat Bölgesinin Kinematiğinin Spektroastrometri Kullanılarak Uzamsal Olarak Çözümlenmesi. II. Felix Bosco, Joseph F. Hennawi, Jonathan Stern ve Jörg-Uwe Pott tarafından z = 2.3” de Luminous Quasar’da İlk Geçici Tespit, 22 Eylül 2021, Astrofizik Dergisi.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac106a
Jonathan Stern, Joseph F. Hennawi ve Jörg-Uwe Pott, 30 Nisan 2015, “Quasar Geniş Hat Bölgesinin Kinematiğini Spektroastrometri Kullanarak Uzamsal Olarak Çözümleme”, Astrofizik Dergisi.
DOI: 10.1088/0004-637X/804/1/57