Если астрономы хотят узнать, как формируются сверхмассивные черные дыры, они должны начать с малого - с астрономической точки зрения очень маленького.
На самом деле, группа ученых, в которую входит астроном из Мичиганского университета Елена Галло, обнаружила, что черная дыра в центре соседней карликовой галактики NGC 4395 примерно в 40 раз меньше, чем считалось ранее. Их выводы опубликованы в журнале Nature Astronomy.
В настоящее время астрономы считают, что сверхмассивные черные дыры находятся в центре каждой галактики такой же массивной, как Млечный Путь или больше. Но им также интересны черные дыры в меньших галактиках, таких как NGC 4395. Знание массы черной дыры в центре NGC 4395 - и возможность точного ее измерения - может помочь астрономам применить эти методы к другим черным дырам.
"Вопрос остается открытым для маленьких или карликовых галактик: есть ли в этих галактиках черные дыры, и если да, то масштабируются ли они так же, как сверхмассивные черные дыры?" - сказал Галло. «Ответы на эти вопросы могут помочь нам понять сам механизм, с помощью которого были собраны эти чудовищные черные дыры, когда Вселенная была в зачаточном состоянии».
Чтобы определить массу черной дыры NGC, Галло и ее коллеги-исследователи использовали карты реверберации. Этот метод измеряет массу, отслеживая излучение, испускаемое так называемым аккреционным диском вокруг черной дыры. Аккреционный диск - это масса материи, собранная гравитационным притяжением черных дыр.
По мере того, как излучение выходит наружу от этого аккреционного диска, оно проходит через другое облако материала, расположенное дальше от черной дыры, которое более рассеяно, чем аккреционный диск. Эта область называется областью широкой линии.
Когда излучение попадает в газ в области широких линий, оно вызывает в нем переход атомов. Это означает, что излучение выталкивает электрон из оболочки атома водорода, например, заставляя атом занимать более энергетический уровень атома. После прохождения излучения атом возвращается в прежнее состояние. Астрономы могут изобразить этот переход, который выглядит как вспышка яркости.
Измеряя, сколько времени требуется излучению аккреционного диска, чтобы попасть в область широких линий и вызвать эти вспышки, астрономы могут оценить, насколько далеко область широких линий находится от черной дыры. Используя эту информацию, они могут рассчитать массу черной дыры.
«Считается, что расстояние зависит от массы черной дыры», - сказал Галло. «Чем больше черная дыра, тем больше расстояние и тем больше времени вы ожидаете, что свет, испускаемый аккреционным диском, попадет в область широких линий».
Используя данные обсерватории МДМ, астрономы подсчитали, что потребовалось около 83 минут, плюс-минус 14 минут, чтобы излучение достигло области широких линий от аккреционного диска. Чтобы вычислить массу черной дыры, они также должны были измерить собственную скорость области широкой линии, то есть скорость, с которой облако области движется под действием гравитации черной дыры. Для этого они сняли качественный спектр спектрометром GMOS на телескопе GEMINI North.
Зная это число, скорость области широкой линии, скорость света и так называемую гравитационную постоянную, или меру гравитационной силы, астрономы смогли определить, что масса черной дыры составляет около В 10 000 раз больше массы нашего Солнца - примерно в 40 раз легче, чем считалось ранее. Это также самая маленькая черная дыра, обнаруженная с помощью карты реверберации.
«Этот режим карликовых галактик в значительной степени не изучен, когда речь идет о свойствах их ядерных черных дыр», - сказал Галло.«Мы даже не знаем, есть ли в каждой галактике черная дыра. Это добавляет нового члена в семейство черных дыр, о которых у нас есть информация».
Эта информация также может помочь астрономам понять, насколько более крупные черные дыры формируют галактики, которые они занимают. Область, называемая обратной связью черных дыр, исследует, как черные дыры влияют на свойства своих родительских галактик в гораздо больших масштабах, чем должно достигать их гравитационное притяжение.
«Нет никаких причин, по которым звезды, которые живут на несколько порядков больше, чем область, где доминирует гравитация черной дыры, должны даже знать, что в их галактике есть черная дыра, но каким-то образом они это делают», - сказал Галло. «Черные дыры каким-то образом формируют галактику, в которой они живут, в очень больших масштабах, и, поскольку мы мало знаем о меньших галактиках с их меньшими черными дырами, мы не знаем, верно ли это на всем пути вниз. С этим измерением мы может добавить дополнительную информацию к этой связи."
Этот результат стал результатом партнерства между UM Astronomy и факультетом физики и астрономии Сеульского национального университета. Наблюдения проводились в обсерватории GEMINI North на Гавайях и в обсерватории MDM в Аризоне. GEMINI управляется партнерством между США, Канадой, Чили, Бразилией, Аргентиной и Кореей.
MDM принадлежит и управляется UM, Дартмутским колледжем, Университетом штата Огайо, Университетом Огайо и Колумбийским университетом. Среди авторов исследования Чон-Хак Ву, Ходжин Чо, Джеджин Шин и Донхун Сон из Сеульского национального университета; Эдмунд Ходжес-Клак из Университета Мексики, НАСА и Мэрилендского университета; Хюнь Ань Н. Ле из Сеульского национального университета и Университета науки и технологии в Китае; и Джон Хорст из Университета штата Сан-Диего.