Erste Beobachtungen überhaupt am Rande der Akkretionsscheibe eines supermassereichen Schwarzen Lochs

Nichts kann so eine existentielle Perspektivenspirale hervorrufen wie der Blick auf das Bild einer Galaxie. Auf den ersten Blick mögen diese erhabenen Bauwerke eher ruhig wirken. Tatsächlich ist das Zentrum vieler Galaxien jedoch eine turbulente Umgebung, in der sich ein aktiv ernährendes supermassereiches Schwarzes Loch befindet.

Diese unvorstellbar dichten Objekte umkreisen wirbelnde Akkretionsscheiben aus Gas und Staub, die das Schwarze Loch speisen und reichlich Energie im gesamten elektromagnetischen Spektrum aussenden – von hochenergetischen Gammastrahlen und Röntgenstrahlen über sichtbares Licht bis hin zu Infrarot und Radio Wellen.

Die Untersuchung von Akkretionsscheiben kann das Verständnis der Astronomen über Schwarze Löcher und die Entwicklung ihrer Wirtsgalaxien verbessern. Die meisten Akkretionsscheiben lassen sich jedoch aufgrund ihrer extremen Entfernung und relativ geringen Größe nicht direkt abbilden. Stattdessen verwenden Astronomen die Spektren des aus dem Inneren der Scheibe emittierten Lichts, um ihre Größe und ihr Verhalten zu charakterisieren.

Mit diesem Ansatz haben Astronomen mit dem Gemini North-Teleskop, einer Hälfte des Internationalen Gemini-Observatoriums, das vom NOIRLab der NSF betrieben wird, erstmals zwei Emissionslinien im nahen Infrarot in der Akkretionsscheibe der Galaxie III Zw 002 entdeckt und damit einen platziert neue Grenze für die Größe dieser prächtigen Bauwerke.

Um diese Beobachtungen zu verstehen, wollen wir zunächst einige Grundlagen schaffen, indem wir diskutieren, was Emissionslinien sind und was sie uns über die Regionen um supermassereiche Schwarze Löcher sagen.

Emissionslinien entstehen, wenn ein Atom in einem angeregten Zustand auf ein niedrigeres Energieniveau fällt und dabei Licht freisetzt. Da jedes Atom über einen einzigartigen Satz von Energieniveaus verfügt, hat das emittierte Licht eine diskrete Wellenlänge, die wie ein Fingerabdruck wirkt und seinen Ursprung identifiziert. Emissionslinien erscheinen in Spektren häufig als dünne, scharfe Spitzen.

Aber im wirbelnden Wirbel einer Akkretionsscheibe, wo das angeregte Gas unter dem Gravitationseinfluss des supermassereichen Schwarzen Lochs steht und sich mit Geschwindigkeiten von Tausenden von Kilometern pro Sekunde bewegt, verbreitern sich die Emissionslinien zu flacheren Spitzen. Der Bereich der Akkretionsscheibe, in dem diese Linien entstehen, wird Breitlinienbereich genannt.

Wie bereits erwähnt, ist es äußerst schwierig, Akkretionsscheiben direkt abzubilden, da dank der hohen Winkelauflösungsfähigkeit des Event Horizon Telescope nur zwei Quellen abgebildet wurden. Woher wissen Astronomen, wenn ein supermassereiches Schwarzes Loch von einer Scheibe umgeben ist, es sei denn, sie haben Zugang zu einem globalen Netzwerk von Radioteleskopen? Es stellt sich heraus, dass Hinweise auf eine Akkretionsscheibe in einem spezifischen Muster der breiten Emissionslinien zu finden sind, das als Doppelspitzenprofil bezeichnet wird.

Da sich die Scheibe dreht, bewegt sich das Gas auf einer Seite vom Beobachter weg, während sich das Gas auf der anderen Seite auf den Beobachter zubewegt. Diese relativen Bewegungen dehnen und stauchen Emissionslinien zu längeren bzw. kürzeren Wellenlängen. Das Ergebnis ist eine verbreiterte Linie mit zwei deutlichen Spitzen, von denen eine auf jeder Seite der sich schnell drehenden Scheibe entsteht.

Diese Doppelspitzenprofile sind ein seltenes Phänomen, da ihr Auftreten auf Quellen beschränkt ist, die nahezu frontal beobachtet werden können. In den wenigen Quellen, in denen es beobachtet wurde, wurde der Doppelpeak in den H-Alpha- und H-Beta-Linien gefunden – zwei Emissionslinien von Wasserstoffatomen, die im sichtbaren Wellenlängenbereich erscheinen.

Diese Linien stammen aus dem inneren Bereich der breiten Linienregion in der Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs und liefern keinen Hinweis darauf, wie groß die Akkretionsscheibe insgesamt ist. Jüngste Beobachtungen im nahen Infrarot haben jedoch einen Bereich der äußeren Breitlinienregion enthüllt, der noch nie zuvor gesehen wurde.

Denimara Dias dos Santos, Ph.D. Student am Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais in Brasilien und Hauptautor der Arbeit hat in Zusammenarbeit mit Alberto Rodriguez-Ardila, Swayamtrupta Panda und Murilo Marinello, Forschern am Laboratório Nacional de Astrofísica in Brasilien, die erste eindeutige Entdeckung von zwei nahe gelegenen gemacht -Infrarot-Doppelspitzenprofile im breiten Linienbereich von III Zw 002.

Die Paschen-Alpha-Linie (Wasserstoff) hat ihren Ursprung im inneren Bereich der Breitlinienregion, und die OI-Linie (Neutralsauerstoff) hat ihren Ursprung am Rande der Breitlinienregion, einer Region, die noch nie zuvor beobachtet wurde. Dies sind die ersten Doppelpeakprofile, die im nahen Infrarot gefunden wurden, und sie traten unerwartet während Beobachtungen mit dem Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS) auf.

Beobachtungen von III Zw 002 im Sichtbaren aus dem Jahr 2003 ergaben Hinweise auf eine Akkretionsscheibe, und eine Studie aus dem Jahr 2012 kam zu ähnlichen Ergebnissen. Im Jahr 2021 machten sich Rodriguez-Ardila und sein Team daran, diese Erkenntnisse durch Beobachtungen im nahen Infrarotbereich mit GNIRS zu ergänzen, das in der Lage ist, das gesamte Nahinfrarotspektrum (800–2500 Nanometer) auf einmal zu beobachten.

Bei anderen Instrumenten muss der Benutzer zwischen mehreren Filtern wechseln, um denselben Bereich abzudecken. Dies kann zeitaufwändig sein und möglicherweise zu Unsicherheiten führen, da sich die atmosphärischen Bedingungen und Kalibrierungen zwischen den Beobachtungen ändern.

Da GNIRS in der Lage ist, gleichzeitige Beobachtungen über mehrere Lichtbänder hinweg durchzuführen, konnte das Team ein einziges sauberes, konsistent kalibriertes Spektrum erfassen, in dem mehrere Doppelspitzenprofile sichtbar wurden. „Wir wussten vorher nicht, dass III Zw 002 dieses Doppelspitzenprofil hatte, aber als wir die Daten reduzierten, sahen wir das Doppelspitzenprofil sehr deutlich“, sagte Rodriguez-Ardila. „Tatsächlich haben wir die Daten viele Male reduziert, weil wir dachten, es könnte sich um einen Fehler handeln, aber jedes Mal sahen wir das gleiche aufregende Ergebnis.“

Diese Beobachtungen bestätigen nicht nur das theoretische Vorhandensein einer Akkretionsscheibe, sondern fördern auch das Verständnis der Astronomen über die Region der breiten Linie.

„Zum ersten Mal legt die Erkennung solcher Doppelspitzenprofile der Geometrie einer Region strenge Beschränkungen auf, die sonst nicht auflösbar wären“, sagte Rodriguez-Ardila. „Und wir haben jetzt klare Beweise für den Fütterungsprozess und die innere Struktur einer aktiven Galaxie.“

Durch den Vergleich dieser Beobachtungen mit bestehenden Scheibenmodellen konnte das Team Parameter extrahieren, die ein klareres Bild des supermassereichen Schwarzen Lochs und der breiten Linienregion von III Zw 002 liefern.

Das Modell zeigt, dass die Paschen-Alpha-Linie bei einem Radius von 16,77 Lichttagen entsteht (die Entfernung, die Licht an einem Tag auf der Erde zurücklegt, gemessen vom supermassereichen Schwarzen Loch), und die OI-Linie bei einem Radius von 18,86 Lichttagen entsteht. Es wird auch vorhergesagt, dass der Außenradius der breiten Linienregion 52,43 Lichttage beträgt. Das Modell weist auch darauf hin, dass der breite Linienbereich von III Zw 002 gegenüber Beobachtern auf der Erde einen Neigungswinkel von 18 Grad aufweist und das supermassereiche Schwarze Loch in seinem Zentrum 400–900 Millionen Mal so groß ist wie die Masse unserer Sonne.

„Diese Entdeckung gibt uns wertvolle Einblicke in die Struktur und das Verhalten der breiten Linienregion in dieser speziellen Galaxie und wirft Licht auf die faszinierenden Phänomene, die rund um supermassereiche Schwarze Löcher in aktiven Galaxien auftreten“, sagte Rodriguez-Ardila.

Nach dieser Entdeckung überwachen Dias dos Santos, Rodriguez-Ardila, Panda und Marinello nun III Zw 002, da seine Akkretionsscheibe voraussichtlich einem Präzessionsmuster um das supermassereiche Schwarze Loch folgen wird. Sie wollen sehen, wie sich die Linienprofile mit der Zeit verändern, da die Präzession zu unterschiedlichen Intensitäten der blauen und roten Spitzen führt. Bisher stimmt das Modell mit ihren Beobachtungen überein. Diese Ergebnisse eröffnen auch die Möglichkeit, die Nahinfrarot-Detektion zur Untersuchung anderer AGNs zu nutzen.

Die Arbeit ist veröffentlicht in Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe.