27.08.2023. - Первые наблюдения окраин аккреционного диска черной дыры

Первые наблюдения окраин аккреционного диска черной дыры

Ничто не может пробудить экзистенциальную перспективную спираль так, как изображение галактики. На первый взгляд эти величественные сооружения могут показаться довольно безмятежными. Но на самом деле центр многих галактик представляет собой турбулентную среду, содержащую активно питающуюся сверхмассивную черную дыру. На орбите этих непостижимо плотных объектов вращаются аккреционные диски газа и пыли, которые питают черную дыру и излучают огромное количество энергии по всему электромагнитному спектру — от высокоэнергетических гамма-лучей и рентгеновских лучей через видимый свет до инфракрасного и радиоизлучения. волны. Изучение аккреционных дисков может улучшить понимание астрономами черных дыр и эволюции родительских галактик. Однако большинство аккреционных дисков невозможно непосредственно отобразить из-за их огромных расстояний и относительно небольших размеров. Вместо этого астрономы используют спектры света, излучаемого изнутри диска, чтобы охарактеризовать его размер и поведение.

Используя этот подход, астрономы с помощью телескопа Gemini North, половины Международной обсерватории Джемини, управляемой NOIRLab NSF, впервые в истории обнаружили две эмиссионные линии ближнего инфракрасного диапазона в аккреционном диске галактики III Zw 002, поместив новый предел размеров этих великолепных сооружений. Чтобы понять эти наблюдения, давайте сначала заложим некоторую основу, обсудив, что такое эмиссионные линии и что они говорят нам об областях вокруг сверхмассивных черных дыр. Эмиссионные линии возникают, когда атом в возбужденном состоянии падает на более низкий энергетический уровень, испуская при этом свет. Поскольку каждый атом имеет уникальный набор энергетических уровней, излучаемый свет имеет дискретную длину волны, которая действует как отпечаток пальца, определяющий его происхождение. Эмиссионные линии обычно проявляются в спектрах как тонкие острые пики.

Но в закрученном вихре аккреционного диска, где возбужденный газ находится под гравитационным влиянием сверхмассивной черной дыры и движется со скоростью тысячи километров в секунду, эмиссионные линии расширяются до более мелких пиков. Область аккреционного диска, где возникают эти линии, называется областью широких линий. Как указывалось ранее, аккреционные диски чрезвычайно сложно отобразить напрямую: удалось отобразить только два источника благодаря высокому угловому разрешению телескопа «Горизонт событий». Итак, если не иметь доступа к глобальной сети радиотелескопов, как астрономы узнают, что вокруг сверхмассивной черной дыры есть диск? Оказывается, свидетельства существования аккреционного диска можно найти в особой структуре широких эмиссионных линий, называемой двухпиковым профилем.

Поскольку диск вращается, газ с одной стороны удаляется от наблюдателя, а газ с другой стороны движется к наблюдателю. Эти относительные движения растягивают и сжимают эмиссионные линии до более длинных и более коротких волн соответственно. В результате получается расширенная линия с двумя отчетливыми пиками, по одному с каждой стороны быстро вращающегося диска. Эти двухпиковые профили являются редким явлением, поскольку их появление ограничивается источниками, которые можно наблюдать практически лицом к лицу. В тех немногих источниках, в которых он наблюдался, двойной пик был обнаружен в линиях H-альфа и H-бета — двух линиях излучения атомов водорода, которые появляются в видимом диапазоне длин волн. Эти линии, происходящие из внутренней области области широких линий вблизи сверхмассивной черной дыры, не дают никаких доказательств того, насколько велик аккреционный диск в целом. Но недавние наблюдения в ближнем инфракрасном диапазоне выявили область внешней широкой линии, которую раньше никогда не видели.

Денимара Диас душ Сантос, доктор философии. Студент Национального института испанских пескисас в Бразилии и ведущий автор статьи в сотрудничестве с Альберто Родригесом-Ардилой, Сваямтруптой Пандой и Мурило Маринелло, исследователями из Национальной лаборатории астрофизики в Бразилии, впервые однозначно обнаружил два близких -инфракрасные двухпиковые профили в области широкой линии III Zw 002. Линия Пашен-альфа (водород) зарождается во внутренней области области широкой линии, а линия O I (нейтральный кислород) возникает на окраине области широкой линии, области, которая никогда раньше не наблюдалась. Это первые двухпиковые профили, обнаруженные в ближнем инфракрасном диапазоне, и они появились неожиданно во время наблюдений с помощью спектрографа ближнего инфракрасного диапазона Gemini (GNIRS). Наблюдения III Zw 002 в видимой области спектра в 2003 году выявили признаки аккреционного диска, а исследование 2012 года дало аналогичные результаты. В 2021 году Родригес-Ардила и его команда решили дополнить эти результаты наблюдениями в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью GNIRS, который способен наблюдать весь ближний инфракрасный спектр (800–2500 нанометров) за один раз.

Другие инструменты требуют от пользователя переключения между несколькими фильтрами для покрытия одного и того же диапазона, что может занять много времени и потенциально может внести неопределенность, поскольку атмосферные условия и калибровки меняются между наблюдениями. Поскольку GNIRS способен проводить одновременные наблюдения в нескольких световых диапазонах, команде удалось получить единый чистый, последовательно откалиброванный спектр, в котором было выявлено несколько двухпиковых профилей. «Раньше мы не знали, что III Zw 002 имеет такой двойной пик, но когда мы сократили данные, мы увидели двойной пик очень четко», — сказал Родригес-Ардила. «На самом деле мы много раз сокращали данные, думая, что это могла быть ошибка, но каждый раз мы видели один и тот же потрясающий результат». Эти наблюдения не только подтверждают теоретическое наличие аккреционного диска, но и расширяют понимание астрономами области широкой линии.

«Впервые обнаружение таких двухпиковых профилей накладывает жесткие ограничения на геометрию области, которую иначе невозможно определить», — сказал Родригес-Ардила. «И теперь у нас есть четкие доказательства процесса питания и внутренней структуры активной галактики». Сравнивая эти наблюдения с существующими моделями дисков, команда смогла извлечь параметры, которые дают более четкую картину сверхмассивной черной дыры III Zw 002 и области широких линий. Модель показывает, что линия Пашен-альфа возникает на радиусе 16,77 световых дней (расстояние, которое свет проходит за один земной день, измеренный от сверхмассивной черной дыры), а линия O I возникает на радиусе 18,86 световых дней. Он также предсказывает, что внешний радиус области широкой линии составит 52,43 световых дня. Модель также показывает, что область широкой линии III Zw 002 имеет угол наклона 18 градусов по отношению к наблюдателям на Земле, а сверхмассивная черная дыра в ее центре в 400–900 миллионов раз превышает массу нашего Солнца.

«Это открытие дает нам ценную информацию о структуре и поведении области широких линий в этой конкретной галактике, проливая свет на удивительные явления, происходящие вокруг сверхмассивных черных дыр в активных галактиках», — сказал Родригес-Ардила. После этого открытия Диас дос Сантос, Родригес-Ардила, Панда и Маринелло теперь наблюдают за III Zw 002, поскольку ожидается, что ее аккреционный диск будет следовать схеме прецессии вокруг сверхмассивной черной дыры. Они хотят увидеть, как профили линий меняются со временем, поскольку прецессия вызывает разную интенсивность синих и красных пиков. До сих пор модель остается в соответствии с их наблюдениями. Эти результаты также открывают возможность использования обнаружения в ближнем инфракрасном диапазоне для изучения других AGN. Работа опубликована в The Astrophysical Journal Letters.

Источник