Direkte Messung der Massen supermassereicher Schwarzer Löcher

Schematische Darstellung eines Quasars. Die heiße Akkretionsscheibe in der Mitte umgibt das Schwarze Loch, das hier unsichtbar ist. Es ist von einer dichten Gas- und Staubverteilung umgeben, in der einzelne ionisierte Gaswolken mit hoher Geschwindigkeit das Schwarze Loch umkreisen. Angeregt durch die intensive und energiereiche Strahlung der Akkretionsscheibe emittieren diese Wolken Strahlung in Form von Spektrallinien, die durch den Dopplereffekt verbreitert werden. Die Zone dieser Gaswolken wird daher als breite Emissionslinienregion (BLR) bezeichnet. Quelle: Grafikabteilung/Bosco/MPIA

Testen einer neuen, direkten Methode zur Bestimmung der Massen supermassereicher Schwarzer Löcher.
Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astronomie haben erstmals eine neue Methode zur Massenbestimmung von extremen Schwarzen Löchern in Quasaren erfolgreich getestet. Diese Methode wird Spektroastrometrie genannt und basiert auf der Messung der Strahlung, die von Gasen in der Nähe supermassereicher Schwarzer Löcher emittiert wird. Diese Messung bestimmt gleichzeitig die Rotationsgeschwindigkeit des strahlenden Gases und seinen Abstand vom Zentrum der Akkretionsscheibe, aus der Material in die schwarzes Loch. Im Vergleich zu anderen Methoden ist die Spektroastrometrie relativ einfach und effizient, wenn sie mit modernen Großteleskopen durchgeführt wird. Die hohe Empfindlichkeit dieser Methode erlaubt es, die Umgebung leuchtender Quasare und supermassereicher Schwarzer Löcher im frühen Universum zu untersuchen.

In der Kosmologie ist die Bestimmung der Masse supermassereicher Schwarzer Löcher im jungen Universum eine wichtige Messung, um die zeitliche Entwicklung des Kosmos zu verfolgen. Jetzt Felix Bosco, in enger Zusammenarbeit mit Jörg-Uwe Pott, beide vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, und den ehemaligen MPIA-Forschern Jonathan Stern (jetzt Universität Tel Aviv, Israel) und Joseph Hennawi (jetzt UC Santa Barbara; USA und Leiden University, Niederlande) ist es erstmals gelungen, die Möglichkeit der direkten Massenbestimmung eines Quasars mittels Spektroastrometrie nachzuweisen.

Diese Methode ermöglicht es, die Masse entfernter Schwarzer Löcher in leuchtenden Quasaren direkt aus optischen Spektren zu bestimmen, ohne dass umfangreiche Annahmen über die räumliche Verteilung des Gases erforderlich sind. Die spektakulären Anwendungen spektroastrometrischer Messungen von Quasarmassen wurden am MPIA vor einigen Jahren systematisch untersucht.

Quasare: Leuchtfeuer des Universums

Quasare enthalten supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien und gehören zu den hellsten kosmischen Objekten. Daher sind sie über große Entfernungen nachweisbar und ermöglichen so die Erforschung des frühen Universums.

Wenn sich in der Nähe eines Schwarzen Lochs Gas befindet, kann es nicht direkt hineinfallen. Stattdessen bildet sich eine Akkretionsscheibe, ein Wirbel, der der Materie hilft, in das Schwarze Loch zu fließen. Hohe Reibungskräfte in diesem Gasstrom, der letztendlich das Schwarze Loch speist, erhitzen die Akkretionsscheibe typischerweise auf 50.000 Grad. Die Intensität der dabei emittierten Strahlung lässt die Quasare so hell erscheinen, dass sie alle Sterne der Galaxie überstrahlen.

Andere Komponenten innerhalb von Quasaren sind seit mehreren Jahrzehnten bekannt, etwa die sogenannte „Broad Emission-Line Region“ (BLR), eine Zone, in der ionisierte Gaswolken das zentrale Schwarze Loch mit Geschwindigkeiten von mehreren tausend Kilometern pro Sekunde umkreisen. Die intensive und energiereiche Strahlung der Akkretionsscheibe stimuliert die Emission des Gases im BLR, die in den Spektren in Form von Spektrallinien sichtbar ist. Aufgrund des Dopplereffekts werden sie jedoch durch die hohen Bahngeschwindigkeiten stark verbreitert, was dem BLR seinen Namen gibt.

Eine neue Methode zur Messung der Massen von Schwarzen Löchern

Nun haben Felix Bosco und seine Kollegen die optisch hellste Spektrallinie von Wasserstoff (Ha) im BLR des Quasars J2123-0050 im Sternbild Wassermann gemessen. Sein Licht stammt aus einer Zeit, als das Universum gerade einmal 2,9 Milliarden Jahre alt war. Mit der Methode der Spektroastrometrie haben sie den mutmaßlichen Abstand der Strahlungsquelle im BLR zum Zentrum der Akkretionsscheibe, dem Ort des potentiellen supermassereichen Schwarzen Lochs, bestimmt. Gleichzeitig liefert die Ha-Linie die Radialgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, dh die Geschwindigkeitskomponente, die zur Erde zeigt. So wie die Masse der Sonne die Bahngeschwindigkeiten der Planeten im Sonnensystem bestimmt, lässt sich aus diesen Daten genau auf die Masse des Schwarzen Lochs im Zentrum des Quasars schließen, wenn die Gasverteilung räumlich aufgelöst werden kann.

Spektroastrometrie Signalquelle

Schematische Darstellung des Ursprungs des spektroastrometrischen Signals. Wenn das ionisierte Gas in Ruhe wäre, würden wir die gleiche Wellenlänge der Spektrallinie im gesamten BLR messen. Allerdings umkreisen die Gaswolken das Schwarze Loch. Von der Seite gesehen kommen sie auf der einen Seite auf uns zu, während sie sich auf der anderen wieder entfernen. Dadurch erscheint das Spektralsignal auf einer Seite zu kürzeren Wellenlängen hin blauverschoben. Auf der anderen Seite ist es zu längeren Wellenlängen hin rotverschoben. Dieser Unterschied der gemessenen Wellenlänge in Abhängigkeit von der Position entlang des BLR führt zu dem oben angegebenen Spektroastrometrie-Signal. Daraus können die Forscher den maximalen Abstand der beobachteten BLR-Wolken vom Zentrum des Quasars und die dort herrschende Geschwindigkeit bestimmen. Quelle: Grafikabteilung/Bosco/MPIA

Aber auch für heutige Großteleskope ist die Ausdehnung der BLR dafür viel zu klein. „Durch die Trennung von spektralen und räumlichen Informationen im gesammelten Licht sowie durch statistische Modellierung der Messdaten können wir jedoch Abstände von weit weniger als einem Bildpixel vom Zentrum der Akkretionsscheibe ableiten“, erklärt Felix Bosco. Die Dauer der Beobachtungen bestimmt die Genauigkeit der Messung.

Für J2123-0050 berechneten die Astronomen eine Masse des Schwarzen Lochs von höchstens 1,8 Milliarden Sonnenmassen. „Die exakte Massenbestimmung war noch gar nicht das Hauptziel dieser ersten Beobachtungen“, sagt Jörg-Uwe Pott, Co-Autor und Leiter der Arbeitsgruppe „Black Holes and Accretion Mechanisms“ am MPIA. „Wir wollten stattdessen zeigen, dass die spektroastrometrische Methode mit den heute bereits verfügbaren 8-Meter-Teleskopen prinzipiell die kinematische Signatur der zentralen Quasarmassen nachweisen kann.“ Die Spektroastrometrie könnte daher eine wertvolle Ergänzung zu den Werkzeugen sein, mit denen Forscher die Massen von Schwarzen Löchern bestimmen. Joe Hennawi fügt hinzu: „Mit der deutlich erhöhten Sensibilität des James Webb Weltraumteleskop (JWST) und dem im Bau befindlichen Extremely Large Telescope (ELT mit einem Hauptspiegeldurchmesser von 39 Metern) werden wir schon bald Quasarmassen bei den höchsten Rotverschiebungen bestimmen können.“ Jörg-Uwe Pott, der auch die Heidelberger Beiträge zur ersten Nahinfrarotkamera des ELT, MICADO, leitet, ergänzt: „Die jetzt veröffentlichte Machbarkeitsstudie hilft uns, unsere geplanten ELT-Forschungsprogramme zu definieren und vorzubereiten.“

Spektroastrometrie wertvolle Ergänzung zu klassischen Methoden

Zu den Alternativen zur Vermessung von BLR in nahegelegenen Quasaren gehört eine weit verbreitete Methode: „Reverberation Mapping“ (RM). Es nutzt die Lichtlaufzeit, die eine Helligkeitsschwankung in der Akkretionsscheibe benötigt, um das umgebende Gas zu erhöhter Strahlung anzuregen. Daraus schätzen Astronomen die mittlere Ausdehnung der BLR ab. Neben den teilweise erheblichen Unsicherheiten in den Annahmen hat diese Methode bei der Untersuchung der massereichsten und entferntesten Schwarzen Löcher entscheidende Nachteile gegenüber der Spektroastrometrie. Der Durchmesser des BLR korreliert mit der Masse des zentralen Schwarzen Lochs. Daher wird die Signalverzögerung zwischen der Akkretionsscheibe und dem BLR für massereiche Schwarze Löcher im frühen Universum sehr groß. Die notwendigen Messreihen von mehreren Jahren werden unpraktisch lang.

Darüber hinaus nehmen die Helligkeitsschwankungen und die Messbarkeit mit zunehmender Masse des Schwarzen Lochs und der Quasarleuchtkraft ab. Die RM-Methode ist daher selten auf leuchtende Quasare anwendbar. Daher ist es nicht geeignet, Quasare in großen kosmologischen Entfernungen zu messen.

Zwillinge Nord LGS bei Mondschein

Foto der Kuppel des Gemini North Teleskops in Hawaii, USA. Dieses Teleskop hat einen Hauptspiegeldurchmesser von 8,1 Metern und einen Laserleitstern, der zusammen mit einer adaptiven Optik dazu beiträgt, den Einfluss der Atmosphäre auf die Beobachtungen zu minimieren. Gemini North wurde für die spektroastrometrische Machbarkeitsstudie verwendet. Bildnachweis: Gemini-Observatorium

Der RM dient jedoch als Grundlage für die Kalibrierung anderer indirekter Methoden, die zuerst für nahe gelegene Quasare etabliert und dann auf weiter entfernte, leuchtende Quasare mit massereichen Schwarzen Löchern ausgeweitet wurden. Die Qualität dieser indirekten Ansätze steht und fällt mit der Richtigkeit der RM-Methode. Auch hier kann die Spektroastrometrie helfen, die Massenbestimmung massereicher Schwarzer Löcher auf eine breitere Basis zu stellen. Die Auswertung der Daten von J2123-0050 zeigt beispielsweise, dass die Korrelation zwischen der Größe des BLR und der Quasarleuchtkraft, die zunächst mit der RM-Methode für eher nahe, schwache Quasare ermittelt wurde, tatsächlich auch für leuchtende Quasare zu gelten scheint. Hier sind jedoch weitere Messungen erforderlich.

Der BLR kann auch in nahegelegenen aktiven Galaxien interferometrisch gemessen werden, wie zum Beispiel mit dem GRAVITY-Instrument der Sehr großes Teleskop Interferometer (VLTI). Der große Vorteil der Spektroastrometrie besteht jedoch darin, dass nur eine einzige hochempfindliche Beobachtung benötigt wird. Außerdem erfordert es weder die technisch sehr aufwendige Kopplung mehrerer Teleskope, wie es die Interferometrie erfordert, noch lange Messreihen über Monate und Jahre, wie es beim RM der Fall ist. So reichte für die geleitete Forschungsgruppe eine einzige Beobachtungsserie mit einer Belichtungszeit von vier Stunden mit dem 8-Meter-Klasse Gemini North Teleskop auf Hawaii, unterstützt durch ein Korrektursystem bestehend aus Laserleitstern und adaptiver Optik von Felix Bosco.

Eine neue Tür zur Erforschung des frühen Universums öffnen

Forscher setzen große Hoffnungen auf die nächste Generation optischer Großteleskope wie DAS‘s ELT. Die Kombination einer vergrößerten Lichtsammelfläche mit einer fünffach gesteigerten Bildschärfe würde die hier vorgestellte Beobachtung in wenigen Minuten am ELT ermöglichen. Felix Bosco erklärt: „Wir werden das ELT verwenden, um in einer einzigen Nacht zahlreiche Quasare in unterschiedlichen Entfernungen astrmetrisch zu vermessen und so die kosmologische Entwicklung der Massen Schwarzer Löcher direkt zu beobachten.“ Mit der erfolgreichen astrometrischen Machbarkeitsstudie haben die Autoren eine neue Tür zur Erforschung des frühen Universums weit aufgestoßen.

Verweise:

„Ortsauflösung der Kinematik der ?100 µas Quasar-Breitlinienregion mit Spektroastrometrie. II. The First Tentative Detection in a Luminous Quasar at z = 2.3” von Felix Bosco, Joseph F. Hennawi, Jonathan Stern und Jörg-Uwe Pott, 22. September 2021, Das Astrophysikalische Journal.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ac106a

„Spatial Resolving the Kinematics of the Quasar Broad-Line Region Using Spectroastrometry“ von Jonathan Stern, Joseph F. Hennawi und Jörg-Uwe Pott, 30. April 2015, Das Astrophysikalische Journal.
DOI: 10.1088/0004-637X/804/1/57


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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