Marianne Vestergaard – Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Alumni > Julekalender 2017 > Julekalender 2014 > 2. december

2. december: Monster sorte huller – Nøglen til galaksers dannelse og udvikling

KU's Alumneforening har bedt forskere fra Københavns Universitet om at fortælle om et af deres aktuelle forskningsprojekter. Det er tilsammen blevet til de 24 låger i årets forskningsjulekalender, hvor du kan læse om alt fra sociale medier til sorte huller.

I dagens låge fortæller lektor Marianne Vestergaard fra Det Naturvidenskabelige Fakultet om sin forskning i sorte huller.

Hvad er et sort hul?

Et sort hul er et objekt så kompakt at end ikke lyset kan undslippe. Det kræver nemlig en vis mængde energi for et legeme at undslippe tyngdefeltet af ethvert himmellegeme. For eksempel, en rumraket skal have en hastighed over 40.320 km i timen for ikke at falde tilbage mod Jorden.

Hvis vi skrumper Jorden vil undvigelseshastigheden fra dens overflade stige fordi den samme masse befinder sig indenfor et mindre rumfang. I et sort hul er materialet presset så kraftigt sammen at undvigelseshastigheden overstiger lysets hastighed på ca. en milliard km i timen. Massen af det sorte hul bestemmer dens tyngdefelt og dens `udstrækning’. 

Et sort hul har ikke en overflade som en stjerne, men den imaginære sfæriske flade hvor undvigelseshastigheden er lig lysets hastighed kaldes `begivenhedshorisonten’ og er hullets `udstrækning’. Sorte huller er ret små i forhold til deres tyngde. De kæmpe-tunge, monster sorte huller som befinder sig inde i centret af fjerne galakser har masser der svarer til tyngden fra mellem én million op til 10 milliarder sole, men deres udstrækninger er stadig ikke større end vores solsystem. Hvor en typisk galakse som Mælkevejen har en udstrækning på over 100.000 lysår, har de tungeste sorte huller kun en udstrækning på under 50 lystimer!

Hvordan ved vi sorte huller eksisterer?

Da sorte huller i sig selv ikke kan udsende lys kan vi for det meste kun finde og studere dem ved at måle deres tyngdepåvirkning på deres omgivelser: vi ser at gas og stjerner bevæger sig meget hurtigt i relativt små afstande fra det mørke objekt. 

Hubble Rumteleskopet har vist eksistensen af supertunge sorte huller i centret af galakser netop ved at måle hastigheden af gassen i centret (se figur 1 nedenfor). Omkring et halvt hundrede galakser i vores omegn har nu målinger der tyder på at de fleste galakser har et supertungt sort hul i centret. Tidligt i galaksens historie var det centrale sorte hul noget mindre. Det voksede sig større ved at spise gas fra dens omegn. Inden gassen falder ind i det sorte hul samler det sig i en varm skive omkring hullet hvor det omdanner noget af dets bevægelsesenergi til varme og stråling som kan ses langt derfra.

Unge galakser med et sådan `spisende’ og dermed voksende sort hul kaldes også kvasarer. De befinder sig typisk på så store afstande, at lyset trods dets store hastighed tager milliarder af år om at nå os. Dvs. vi ser galaksen som den så ud for milliarder af år sigen, da den var ret ung. Vi kan se disse fjerne objekter fordi strålingen fra området omkring dette monster sorte hul er utroligt lysstærkt. Det kan være op til 1000 gange kraftigere end lyset fra alle stjernerne i en almindelig galakse.

Sorte huller formodes at være en vigtig faktor i galaksers udvikling

Indenfor de sidste 15 år har vi erfaret at sorte huller må spille en vigtig rolle for hvordan galakser dannes og udvikles. Man finder i det nære univers bl.a. at de tungere galakser huser tungere sorte huller med næsten et konstant masseforhold, hvilket tyder på en vis tilpasning og en fysisk forbindelse eller vekselvirkning mellem galaksen og det sorte hul.

Hvordan den tilpasning blev til vides endnu ikke, men vi har formodninger om at der sker en vis vekselvirkning mellem det sorte hul og dens omgivelser. Blandt andet viser numeriske simuleringer at det sorte hul kan blive så stort at det har energi nok til at opvarme gassen i dens værtsgalakse og skubbe den ud af galaksen så stjernedannelsen slukkes brat; man mener dette måske forklarer egenskaberne af de store elliptiske galakser. Og tidligere forstod man ikke hvorfor stjernedannelsen i galaksehobe med kraftigt kølende røntgengas er en del mindre end forventet. Observationer viser nu at radio-jetten dannet af det sorte hul i den centrale radio-galakse kan opvarme gassen i centret hvor kølingen er størst, både ved at skubbe rundt på gassen og ved at virke som en radiator (Se figur 2 nedenfor).

For at kunne undersøge og forstå detaljerne i de fysiske processer, som gør sig gældende når sorte huller i det tidlige Univers påvirker deres omgivelser, er vi nødt til at kende massen af det sorte hul rimeligt præcist fordi dens masse bestemmer niveauet af den energi som udsendes fra området af hullet. Til formålet måler vi hvor hurtigt gas i nærheden af den varme skive omkring det sorte hul bevæger sig omkring hullet. Denne gas udsender kraftige emissionslinjer ved specifikke bølgelængder i det visuelle og ultraviolette energi-område (Se figur 3 nedenfor). 

Gassen har store hastigheder på mellem 7 og 36 millioner km i timen, som udmønter sig i en Dopplerudbredning af linjerne. De tyndeste linjer i figuren (fra ilt, [OIII] λ5007) repræsenterer hastigheder der er en faktor 10 lavere; det skyldes gas som er en del længere væk fra det sorte hul. Med vores nuværende metoder kan vi estimere massen af de centrale sorte huller med en nøjagtighed på kun ca. 300%-400%.

Min forskning fokuserer på at udvikle metoder til at opnå meget bedre målinger. Én af udfordringerne er, at vi slet ikke kender den rumlige og kinematiske struktur af gassen vi måler på, fordi området er så kompakt, at vi ikke kan opløse det rummeligt med de bedste teleskoper, selv for de allernærmeste aktivt voksende sorte huller. Dog ved vi fra andre studier, at gassen ikke er jævnt fordelt i en sfære, men nok ligger i en tyk ring med hastighedskomponenter vinkelret og parallelt med skiven.

En anden udfordring er at dette skaber projektionseffekter fordi vi kun kan måle hastighedskomponenten langs vores synslinje og kvasarerne er vilkårligt orienteret i rummet og denne orientering er ikke altid nem at bestemme. 

Nye metoder

Med støtte fra De Frie Forskningsråd har jeg netop startet et nyt forskningsprogram hvor målet er at benytte ny-udviklede dynamiske og fysiske modeller af de centrale dele af kvasarer til at skabe et større indblik i den typiske struktur og dynamik af den centrale gas for kvasar-populationen ved at modellere de observerede data. Det kan lade sig gøre idet bestemte strukturer og dynamik vil forårsage observerede emissionsspektre med specifikke karakteristika.

Til undersøgelsen benytter vi et stort katalog af visuelle og nærinfrarøde højkvalitetsdata fra det dansk-byggede X-shooter instrument på det 8-meter store Very Large Telescope på det Europæiske Sydobservatorium i Chile, radiodata fra det store Very Large Array radio teleskop i New Mexico i USA, samt visuelle, ultraviolette og røntgen data fra Swift rum-missionen. Ud fra radio- og røntgendata kan vi bestemme orienteringen af radio-jetten og dermed den central gas-skive i forhold til vores synslinje og dermed få en større indsigt i projektionseffekterne, blandt andet.

Vi vil benytte resultaterne af disse undersøgelser til at skabe nye metoder til langt mere nøjagtige massebestemmelser af de tunge sorte huller i både nære og fjerne galakser som vil bidrage til en langt større forståelse af hvorledes disse sorte huller er med til at forme de observerede egenskaber af galakser og galaksehobe i Universet.

Læs mere

Figur 1: Den høje rumlige opløsning på Hubble Rumteleskopet skabte i 1990’erne et gennembrud i detektionen og studiet af sorte huller i fjerne galakser som ikke kan foretages med jordbaserede teleskoper på grund af atmosfærens udsmørende effekter. På billedet til venstre vises positionen af den spektrale spalte (lyseblå) hvorigennem lyset fra galaksen M84 passerer og danner spektret til højre. Langs spalten ligger den rumlige akse (R) som angiver afstanden af gassen fra centret. Vinkelret på spalten vises gashastigheden (V). Hastigheder højere end middelhastigheden (grøn) er farvet rødt og viser gas på vej væk fra os. Analogt er gas på vej imod os farvet blåt. De kraftige hastighedsudsving tæt på centret viser at gassen roterer hurtigt om centret og at det centrale objekt er et sort hul med masse på 800 millioner Sole. (Image credit: STScI/NASA/B. Woodgate(GSFC)/G. Bower(NOAO); Image slightly modified by author).

 

Figur 2: Energien fra sorte huller i færd med at sluge gas kan skubbe og varme den kølende gas mellem galakserne i røntgenhobe. Til venstre ses huller i røntgengassen (grøn) angivet ved pilene. Til højre ses at radio-jetten (rød) fra den centrale galakse passer som hånd i handske i hullerne i røntgengassen (blå) og beregninger viser at den mekaniske energi fra jetten svarer til den opvarmning af gassen der skal til for at forklare forskellen mellem den målte stjernedannelsesrate og den forventede på basis af røntgenemissionen fra gassen. Synligt lys fra galakserne i hoben (hvid) er fra rumteleskopet (De originale billeder er let modifiseret af forfatteren).

Figur 3: Spektrum af en typisk kvasar i det ultra-violette og visuelle energiområde der bl.a. viser specifikke overgange i hhv. hydrogen (Ly-α, Hβ, Hγ, Hδ), kulstof, silicium, og magnesium atomer i gassen. Disse karakteristiske bredde emissionslinjer skyldes den centrale gas der bevæger sig om det sorte hul med hastigheder mellem 7 til 36 millioner km i timen. Ved at måle denne hastighed ud fra linjebredden kan man bestemme massen af det sorte hul. Bredden og formen på linjeprofilerne indeholder vigtig information om hastighedsfeltet af gassen som vi vil undersøge bl.a. via modelberegninger.

Mød også

I morgen kan du i KU's forskningsjulekalender 2014 møde Annamaria Giraldi, der blandt andet stiller spørgsmålet: Hvorfor har vi sex?.