Rappresentazione artistica delle regioni interne di una galassia/quasar attiva, con un buco nero supermassiccio al centro circondato da un disco di materiale caldo in caduta. L'inserto in basso a destra mostra come la luminosità della luce proveniente dalle due diverse regioni cambia nel tempo. Il pannello superiore del grafico mostra la regione "continuum", che ha origine vicino al buco nero (la vicinanza generale è indicata dalla forma "swoosh"). Il pannello inferiore mostra la regione della linea di emissione H-beta, che proviene dal gas idrogeno in rapido movimento più lontano dal buco nero (la vicinanza generale è indicata dall'altro "swoosh"). L'intervallo di tempo coperto da queste due curve di luce è di circa sei mesi. La trama in basso "riecheggia" quella in alto, con un leggero ritardo di circa 10 giorni indicato dalla linea verticale. Ciò significa che la distanza tra queste due regioni è di circa 10 giorni luce (circa 150 miliardi di miglia, o 240 milioni di chilometri). Credito:Nahks Tr'Ehnl (www.nahks.com) e Catherine Grier (The Pennsylvania State University) e la collaborazione SDSS
Oggi, gli astronomi della Sloan Digital Sky Survey (SDSS) hanno annunciato nuove misurazioni delle masse di un ampio campione di buchi neri supermassicci ben oltre l'Universo locale.
I risultati, presentato al meeting dell'American Astronomical Society (AAS) a National Harbor, Maryland e pubblicato nel Giornale Astrofisico , rappresentano un importante passo avanti nella nostra capacità di misurare le masse dei buchi neri supermassicci in un gran numero di quasar e galassie distanti.
"Questa è la prima volta che abbiamo misurato direttamente le masse per così tanti buchi neri supermassicci così lontani, "dice Catherine Grier, un borsista post-dottorato presso la Pennsylvania State University e l'autore principale di questo lavoro. "Queste nuove misurazioni, e misure future come loro, fornirà informazioni vitali per le persone che studiano come le galassie crescono ed evolvono nel tempo cosmico".
I buchi neri supermassicci (SMBH) si trovano al centro di quasi tutte le grandi galassie, compresi quelli negli angoli più remoti dell'Universo. L'attrazione gravitazionale di questi buchi neri supermassicci è così grande che la polvere e il gas vicini nella galassia ospite vengono inesorabilmente attratti. Il materiale in caduta si riscalda a temperature così elevate da brillare abbastanza da essere visto in tutto l'Universo. Questi dischi luminosi di gas caldo sono conosciuti come "quasar, " e sono chiari indicatori della presenza di buchi neri supermassicci. Studiando questi quasar, impariamo non solo sulle PMI, ma anche sulle lontane galassie in cui vivono. Ma per fare tutto questo sono necessarie misurazioni delle proprietà degli SMBH, soprattutto le loro masse.
Il problema è che misurare le masse delle PMI è un compito arduo. Gli astronomi misurano le masse SMBH nelle galassie vicine osservando gruppi di stelle e gas vicino al centro della galassia, tuttavia, queste tecniche non funzionano per le galassie più lontane, perché sono così lontani che i telescopi non possono risolvere i loro centri. Le misurazioni dirette della massa SMBH nelle galassie più lontane vengono effettuate utilizzando una tecnica chiamata "mappatura del riverbero".
La mappatura del riverbero funziona confrontando la luminosità della luce proveniente dal gas molto vicino al buco nero (denominata luce "continuo") con la luminosità della luce proveniente dal gas in rapido movimento più lontano. I cambiamenti che si verificano nella regione del continuum hanno un impatto sulla regione esterna, ma la luce impiega tempo per viaggiare verso l'esterno, o "riverberare". Questo riverbero significa che c'è un ritardo temporale tra le variazioni viste nelle due regioni. Misurando questo ritardo di tempo, gli astronomi possono determinare la distanza del gas dal buco nero. Conoscere quella distanza consente loro di misurare la massa del buco nero supermassiccio, anche se non possono vedere i dettagli del buco nero stesso.
Negli ultimi 20 anni, gli astronomi hanno utilizzato la tecnica della mappatura del riverbero per misurare faticosamente le masse di circa 60 SMBH nelle galassie attive vicine. La mappatura del riverbero richiede l'osservazione di queste galassie attive, più e più volte per diversi mesi, e così per la maggior parte, le misurazioni vengono effettuate solo per una manciata di galassie attive alla volta. Utilizzando la tecnica di mappatura del riverbero sui quasar, che sono più lontane, è ancora più difficile, richiedono anni di ripetute osservazioni. A causa di queste difficoltà di osservazione, gli astronomi avevano usato con successo la mappatura del riverbero solo per misurare le masse SMBH per una manciata di quasar più distanti, fino ad ora.
Un grafico delle masse dei buchi neri supermassicci noti in vari "tempi di ricerca, ” che misura il tempo nel passato che vediamo quando osserviamo ogni quasar. I quasar più distanti hanno tempi di ricerca più lunghi (poiché la loro luce impiega più tempo per raggiungere la Terra), così li vediamo come apparivano in un passato più lontano. L'Universo ha circa 13,8 miliardi di anni, quindi il grafico risale a quando l'Universo aveva circa la metà della sua età attuale. Le masse dei buchi neri misurate in questo lavoro sono mostrate come cerchi viola, mentre i quadrati grigi mostrano le masse dei buchi neri misurate da precedenti progetti di mappatura del riverbero. Le dimensioni dei quadrati e dei cerchi sono correlate alle masse dei buchi neri che rappresentano. Il grafico mostra buchi neri da 5 milioni a 1,7 miliardi di volte la massa del sole. Credito:Catherine Grier (The Pennsylvania State University) e la collaborazione SDSS
In questo nuovo lavoro, Il team di Grier ha utilizzato un'applicazione su scala industriale della tecnica di mappatura del riverbero con l'obiettivo di misurare le masse dei buchi neri in decine o centinaia di quasar. La chiave del successo del progetto SDSS Reverberation Mapping risiede nella capacità dell'SDSS di studiare molti quasar contemporaneamente:il programma sta attualmente osservando circa 850 quasar contemporaneamente. Ma anche con il potente telescopio dell'SDSS, questo è un compito impegnativo perché questi quasar lontani sono incredibilmente deboli.
"Devi calibrare queste misurazioni con molta attenzione per assicurarti di capire veramente cosa sta facendo il sistema quasar, "dice Jon Trump, un assistente professore presso l'Università del Connecticut e membro del gruppo di ricerca.
Miglioramenti nelle calibrazioni sono stati ottenuti anche osservando i quasar con il Canada-France-Hawaii-Telescope (CFHT) e il telescopio Steward Observatory Bok situato a Kitt Peak durante la stessa stagione osservativa. Dopo che tutte le osservazioni sono state compilate e il processo di calibrazione è stato completato, il team ha trovato ritardi nel tempo di riverbero per 44 quasar. Hanno usato queste misurazioni del ritardo temporale per calcolare le masse dei buchi neri che vanno da circa 5 milioni a 1,7 miliardi di volte la massa del nostro sole.
"Questo è un grande passo avanti per la scienza dei quasar, "dice Aaron Barth, professore di astronomia all'Università della California, Irvine che non era coinvolto nella ricerca della squadra. "Hanno dimostrato per la prima volta che queste difficili misurazioni possono essere eseguite in modalità di produzione di massa".
Queste nuove misurazioni SDSS aumentano il numero totale di galassie attive con misurazioni di massa SMBH di circa due terzi, e spingere le misurazioni più indietro nel tempo a quando l'Universo aveva solo la metà della sua età attuale. Ma il team non si ferma qui:continuano a osservare questi 850 quasar con SDSS, e gli anni aggiuntivi di dati consentiranno loro di misurare le masse dei buchi neri in quasar ancora più distanti, che hanno ritardi temporali più lunghi che non possono essere misurati con un solo anno di dati.
"Ottenere osservazioni di quasar per più anni è fondamentale per ottenere buone misurazioni, " dice Yue Shen, un assistente professore presso l'Università dell'Illinois e Principal Investigator del progetto SDSS Reverberation Mapping. "Mentre continuiamo il nostro progetto di monitorare sempre più quasar per gli anni a venire, saremo in grado di capire meglio come crescono ed evolvono i buchi neri supermassicci".
Il futuro dell'SDSS offre molte più interessanti possibilità per l'utilizzo della mappatura del riverbero per misurare le masse dei buchi neri supermassicci nell'Universo. Dopo che l'attuale quarta fase dell'SDSS si concluderà nel 2020, la quinta fase del programma, SDSS-V, inizia. SDSS-V presenta un nuovo programma chiamato Black Hole Mapper, che prevede di misurare le masse SMBH in più di 1, 000 quasar in più, spingendosi più lontano nell'Universo di qualsiasi altro progetto di mappatura del riverbero mai fatto prima.
"Il Black Hole Mapper ci permetterà di entrare nell'era della mappatura del riverbero del buco nero supermassiccio su una vera scala industriale, "dice Niel Brandt, professore di Astronomia e Astrofisica presso la Pennsylvania State University e membro di lunga data dell'SDSS. "Impareremo di più su questi oggetti misteriosi che mai."
