Uma representação artística das regiões internas de uma galáxia / quasar ativo, com um buraco negro supermassivo no centro rodeado por um disco de material quente caindo. A inserção no canto inferior direito mostra como o brilho da luz proveniente das duas regiões diferentes muda com o tempo. O painel superior do gráfico mostra a região do "continuum", que se origina próximo ao buraco negro (a vizinhança geral é indicada pela forma “swoosh”). O painel inferior mostra a região da linha de emissão H-beta, que vem do gás hidrogênio que se move rapidamente para longe do buraco negro (a vizinhança geral é indicada pelo outro “swoosh”). O intervalo de tempo coberto por essas duas curvas de luz é de cerca de seis meses. O gráfico inferior "ecoa" o topo, com um ligeiro atraso de cerca de 10 dias indicado pela linha vertical. Isso significa que a distância entre essas duas regiões é de cerca de 10 dias-luz (cerca de 150 bilhões de milhas, ou 240 milhões de quilômetros). Crédito:Nahks Tr’Ehnl (www.nahks.com) e Catherine Grier (The Pennsylvania State University) e a colaboração do SDSS
Hoje, astrônomos do Sloan Digital Sky Survey (SDSS) anunciaram novas medições das massas de uma grande amostra de buracos negros supermassivos muito além do universo local.
Os resultados, sendo apresentado na reunião da American Astronomical Society (AAS) em National Harbor, Maryland e publicado no Astrophysical Journal , representam um grande passo em nossa capacidade de medir massas supermassivas de buracos negros em um grande número de quasares e galáxias distantes.
"Esta é a primeira vez que medimos diretamente as massas de tantos buracos negros supermassivos tão distantes, "diz Catherine Grier, um pós-doutorado na Pennsylvania State University e o principal autor deste trabalho. "Essas novas medidas, e medições futuras como elas, fornecerá informações vitais para pessoas que estudam como as galáxias crescem e evoluem ao longo do tempo cósmico. "
Buracos negros supermassivos (SMBHs) são encontrados nos centros de quase todas as grandes galáxias, incluindo aqueles nos confins do Universo. A atração gravitacional desses buracos negros supermassivos é tão grande que a poeira e o gás próximos na galáxia hospedeira são inexoravelmente atraídos. O material em queda se aquece a temperaturas tão altas que brilha com força suficiente para ser visto por todo o Universo. Esses discos brilhantes de gás quente são conhecidos como "quasares, "e são indicadores claros da presença de buracos negros supermassivos. Ao estudar esses quasares, aprendemos não apenas sobre SMBHs, mas também sobre as galáxias distantes em que vivem. Mas, para fazer tudo isso, são necessárias medições das propriedades dos SMBHs, mais importante ainda, suas massas.
O problema é que medir as massas de SMBHs é uma tarefa assustadora. Os astrônomos medem as massas SMBH em galáxias próximas observando grupos de estrelas e gás perto do centro da galáxia - no entanto, essas técnicas não funcionam para galáxias mais distantes, porque estão tão distantes que os telescópios não conseguem identificar seus centros. Medições diretas de massa SMBH em galáxias mais distantes são feitas usando uma técnica chamada "mapeamento de reverberação".
O mapeamento de reverberação funciona comparando o brilho da luz proveniente do gás muito próximo ao buraco negro (conhecido como luz "contínua") com o brilho da luz proveniente do gás em movimento rápido mais distante. As mudanças que ocorrem na região do continuum impactam a região externa, mas a luz leva tempo para viajar para fora, ou "reverberar". Essa reverberação significa que há um atraso de tempo entre as variações vistas nas duas regiões. Medindo esse atraso de tempo, astrônomos podem determinar a que distância o gás está do buraco negro. Saber essa distância permite que eles meçam a massa do buraco negro supermassivo - mesmo que não consigam ver os detalhes do próprio buraco negro.
Nos últimos 20 anos, astrônomos usaram a técnica de mapeamento de reverberação para medir laboriosamente as massas de cerca de 60 SMBHs em galáxias ativas próximas. O mapeamento de reverberação requer a obtenção de observações dessas galáxias ativas, repetidamente por vários meses - e assim, na maior parte, as medições são feitas para apenas um punhado de galáxias ativas de cada vez. Usando a técnica de mapeamento de reverberação em quasares, que estão mais longe, é ainda mais difícil, exigindo anos de observações repetidas. Por causa dessas dificuldades de observação, os astrônomos só tinham usado com sucesso o mapeamento de reverberação para medir as massas SMBH para um punhado de quasares mais distantes - até agora.
Um gráfico de massas conhecidas de buracos negros supermassivos em vários "tempos de retrospectiva, ”Que mede o tempo no passado que vemos quando olhamos para cada quasar. Quasares mais distantes têm tempos de lookback mais longos (já que sua luz leva mais tempo para viajar para a Terra), então, nós os vemos como eles apareceram em um passado mais distante. O Universo tem cerca de 13,8 bilhões de anos, então o gráfico volta a quando o Universo tinha cerca de metade de sua idade atual. As massas dos buracos negros medidas neste trabalho são mostradas como círculos roxos, enquanto os quadrados cinza mostram as massas dos buracos negros medidas por projetos anteriores de mapeamento de reverberação. Os tamanhos dos quadrados e círculos estão relacionados às massas dos buracos negros que eles representam. O gráfico mostra buracos negros com 5 milhões a 1,7 bilhão de vezes a massa do sol. Crédito:Catherine Grier (The Pennsylvania State University) e a colaboração SDSS
Neste novo trabalho, A equipe de Grier usou uma aplicação em escala industrial da técnica de mapeamento de reverberação com o objetivo de medir as massas dos buracos negros em dezenas a centenas de quasares. A chave para o sucesso do projeto de mapeamento de reverberação do SDSS está na capacidade do SDSS de estudar muitos quasares ao mesmo tempo - o programa está atualmente observando cerca de 850 quasares simultaneamente. Mas mesmo com o poderoso telescópio do SDSS, esta é uma tarefa desafiadora porque esses quasares distantes são incrivelmente fracos.
"Você tem que calibrar essas medições com muito cuidado para ter certeza de que realmente entende o que o sistema de quasares está fazendo, "diz Jon Trump, professor assistente da Universidade de Connecticut e membro da equipe de pesquisa.
Melhorias nas calibrações foram obtidas também observando os quasares com o Canada-France-Hawaii-Telescope (CFHT) e o telescópio Steward Observatory Bok localizado em Kitt Peak na mesma estação de observação. Depois que todas as observações foram compiladas e o processo de calibração foi concluído, a equipe encontrou atrasos no tempo de reverberação para 44 quasares. Eles usaram essas medições de atraso de tempo para calcular as massas dos buracos negros que variam de cerca de 5 milhões a 1,7 bilhão de vezes a massa do nosso sol.
"Este é um grande passo para a ciência de quasares, "diz Aaron Barth, professor de astronomia da Universidade da Califórnia, Irvine, que não estava envolvido na pesquisa da equipe. "Eles mostraram pela primeira vez que essas medições difíceis podem ser feitas no modo de produção em massa."
Essas novas medições SDSS aumentam o número total de galáxias ativas com medições de massa SMBH em cerca de dois terços, e empurrar as medições para mais longe no tempo, para quando o Universo tinha apenas metade de sua idade atual. Mas a equipe não para por aí - eles continuam a observar esses 850 quasares com SDSS, e os anos adicionais de dados lhes permitirão medir as massas dos buracos negros em quasares ainda mais distantes, que têm atrasos mais longos que não podem ser medidos com um único ano de dados.
"Obter observações de quasares ao longo de vários anos é crucial para obter boas medições, "diz Yue Shen, professor assistente da Universidade de Illinois e investigador principal do projeto SDSS Reverberation Mapping. "À medida que continuamos nosso projeto de monitorar mais e mais quasares nos próximos anos, seremos capazes de entender melhor como os buracos negros supermassivos crescem e evoluem. "
O futuro do SDSS oferece muitas possibilidades mais interessantes para usar o mapeamento de reverberação para medir as massas de buracos negros supermassivos em todo o Universo. Depois que a atual quarta fase do SDSS termina em 2020, a quinta fase do programa, SDSS-V, começa. O SDSS-V apresenta um novo programa chamado Black Hole Mapper, que planeja medir as massas SMBH em mais de 1, 000 quasares a mais, empurrando mais longe no Universo do que qualquer projeto de mapeamento de reverberação já feito.
"O Black Hole Mapper nos permitirá entrar na era do mapeamento de reverberação de buracos negros supermassivos em uma verdadeira escala industrial, "diz Niel Brandt, um professor de Astronomia e Astrofísica na Universidade Estadual da Pensilvânia e um membro de longa data do SDSS. "Vamos aprender mais sobre esses objetos misteriosos do que nunca."
