Teleskop Hubble fotografuje dysk akrecyjny wokół czarnej dziury

Teleskop Hubble fotografuje dysk akrecyjny wokół czarnej dziuryOriginal Press Release
Międzynarodowy zespół naukowców wykorzystał teleskop kosmiczny NASA/ESA Hubble Space Telescope by obserwować dysk akrecyjny kwazara – jasno świecący dysk materii, która jest powoli wciągana przez centralną, supermasywną czarną dziurę galaktyki.

Wynik ten jest bardzo ważny, ponieważ oznacza, że jesteśmy w stanie uzyskać dane obserwacyjne dotyczące struktury takich układów, a nie musimy nadal opierać się wyłącznie na teorii. Właściwości fizyczne kwazarów nadal są słabo poznane. Zatem nowe możliwości uzyskania pomiarów obserwacyjnych pomiarów oznacza otwarcie nowego rozdziału w poznaniu natury tych obiektów.

Jose Munoz

Choć same czarne dziury są niewidoczne, siły jakie uwalniają są odpowiedzialne za  niektóre z najjaśniejszych zjawisk we Wszechświecie. Wśród nich są kwazary – świecące dyski materii, krążące wokół supermasywnych czarnych dziur, mające niezwykle wysokie temperatury i emitujące ogromne ilości promieniowania.

„Dysk akrecyjny kwazara ma zazwyczaj rozmiary kilku dni świetlnych (ok. 100 mld kilometrów), jednak wszystkie, które znamy leżą w odległościach miliardów lat świetlnych. Oznacza to, że ich wielkość kątowa jest tak mała, że prawdopodobnie nigdy nie będziemy posiadali wystarczająco potężnych teleskopów, by zobaczyć ich strukturę bezpośrednio „- wyjaśnia Jose Munoz, kierujący badaniami. Maleńkie rozmiary kątowe kwazarów są powodem, dla którego większość naszej dotychczasowej wiedzy o ich wewnętrznej budowie opiera się na modelach teoretycznych, a nie na bezpośredniej obserwacji .

Aby pokonać tę barierę zespół stosował innowacyjną metodę: na podobieństwo mikroskopu skaningowego wykorzystali gwiazdy leżące w bliższej galaktyce do badania struktur w dysku kwazara, które inaczej byłyby zbyt małe, by można je było dostrzec. Ponieważ gwiazdy te poruszają się w świetle kwazara, ich grawitacyjne oddziaływania wzmacniają światło z różnych jego części, przekazując w ten sposób szczegółowe informacje barwne na temat przekroju dysku.

Zespół badał grupę odległych kwazarów, których światło jest soczewkowanie grawitacyjnie przez szczęśliwie położoną na pierwszym planie grupę  galaktyk, produkującą kilka obrazów kwazara. Naukowcy zauważyli subtelne różnice w kolorach pomiędzy obrazami i oraz zmiany tych barw w czasie, w którym było prowadzone obserwacje. Część z tych różnic kolorów spowodowana była właściwościami pyłu w galaktykach soczewkujących: światło docierające od każdego z pozornych obrazów kwazara wędrowała inną drogą przez galaktyki, zapamiętują w swej barwie informacje o materii galaktyk. Już sam pomiar sposobu i stopnia, w jakim pył w tak odległych galaktykach przesłonił światło jest ważnym wynikiem badań.

Jednak dla jednego z badanych kwazarów, naukowcy odkryli wyraźne sygnały świadczące o tym, że gwiazdy soczewkującej galaktyki przechodziły poprzez ścieżkę światła kwazara. Podobnie jak efekt grawitacyjny całej galaktyki ugina i wzmacnia światło kwazarów, tak samo indywidualne gwiazdy w soczewkującej galaktyce mogą również delikatnie uginać i wzmacniać światło z różnych części dysku akrecyjnego, podczas gdy przechodzą przez ścieżkę jego światła.

Dzięki rejestrowaniu zmian w kolorze zespół był w stanie odtworzyć kolor profilu dysku akrecyjny. To ważne, ponieważ temperatura dysku akrecyjnego wzrasta wraz ze zbliżaniem się do czarnej dziury, a kolory emitowane przez gorącą materię są tym bardziej niebieskie im materia jest gorętsza. Pozwoliło to zespołowi zmierzyć średnicę dysku gorącej materii, oraz ustalić jak jest on gorący w różnych odległościach od centrum.Okazało się, że dysk ma średnicę w granicach czterech do jedenastu dnie świetlnych (około 100 do 300 miliardów kilometrów). Choć  pomiaru wykazuje duży błąd oszacowania, to nadal pozostaje niezwykłym dokonaniem gdy mowa o tak małym obiekcie obserwowanym z tak ogromnej odległości, zaś sama metoda ma ogromny potencjał do uzyskania w przyszłości większej dokładności.

Źródła:

Hubble Directly Observes the Disc Around a Black Hole

A team of scientists has used the NASA/ESA Hubble Space Telescope to observe a quasar accretion disc — a brightly glowing disc of matter that is slowly being sucked into its galaxy’s central black hole. Their study makes use of a novel technique that uses gravitational lensing to give an immense boost to the power of the telescope. The incredible precision of the method has allowed astronomers to directly measure the disc’s size and plot the temperature across different parts of the disc.

An international team of astronomers has used a new technique to study the bright disc of matter surrounding a faraway black hole. Using the NASA/ESA Hubble Space Telescope, combined with the gravitational lensing effect of stars in a distant galaxy [1], the team measured the disc’s size and studied the colours (and hence the temperatures) of different parts of the disc. These observations show a level of precision equivalent to spotting individual grains of sand on the surface of the Moon.

While black holes themselves are invisible, the forces they unleash cause some of the brightest phenomena in the Universe. Quasars — short for quasi-stellar objects — are glowing discs of matter that orbit supermassive black holes, heating up and emitting extremely bright radiation as they do so.

“A quasar accretion disc has a typical size of a few light-days, or around 100 billion kilometres across, but they lie billions of light-years away. This means their apparent size when viewed from Earth is so small that we will probably never have a telescope powerful enough to see their structure directly,” explains Jose Munoz, the lead scientist in this study.

Until now, the minute apparent size of quasars has meant that most of our knowledge of their inner structure has been based on theoretical extrapolations, rather than direct observations.

The team therefore used an innovative method to study the quasar: using the stars in an intervening galaxy as a scanning microscope to probe features in the quasar’s disc that would otherwise be far too small to see. As these stars move across the light from the quasar, gravitational effects amplify the light from different parts of the quasar, giving detailed colour information for a line that crosses through the accretion disc.

The team observed a group of distant quasars that are gravitationally lensed by the chance alignment of other galaxies in the foreground, producing several images of the quasar.

They spotted subtle differences in colour between the images, and changes in colour over the time the observations were carried out. Part of these colour differences are caused by the properties of dust in the intervening galaxies: the light coming from each one of the lensed images has followed a different path through the galaxy, so that the various colours encapsulate information about the material within the galaxy. Measuring the way and extent to which the dust within the galaxies blocks light (known to astronomers as the extinction law) at such distances is itself an important result in the study.

For one of the quasars they studied, though, there were clear signs that stars in the intervening galaxy were passing through the path of the light from the quasar [2]. Just as the gravitational effect due to the whole intervening galaxy can bend and amplify the quasar’s light, so can that of the stars within the intervening galaxy subtly bend and amplify the light from different parts of the accretion disc as they pass through the path of the quasar’s light.

By recording the variation in colour, the team were able to reconstruct the colour profile across the accretion disc. This is important because the temperature of an accretion disc increases the closer it is to the black hole, and the colours emitted by the hot matter get bluer the hotter they are. This allowed the team to measure the diameter of the disc of hot matter, and plot how hot it is at different distances from the centre.

They found that the disc is between four and eleven light-days across (approximately 100 to 300 billion kilometres). While this measurement shows large uncertainties, it is still a remarkably accurate measurement for a small object at such a great distance, and the method holds great potential for increased accuracy in the future.

“This result is very relevant because it implies we are now able to obtain observational data on the structure of these systems, rather than relying on theory alone,” says Munoz. “Quasars’ physical properties are not yet well understood. This new ability to obtain observational measurements is therefore opening a new window to help understand the nature of these objects.”

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *