Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat den Meilenstein erreicht, den lange gesuchten innersten Staubring um ein supermassereiches Schwarzes Loch im rechten Winkel zu seinem entstehenden Jet direkt zu beobachten. Es wurde angenommen, dass eine solche Struktur im Kern von Galaxien existiert, aber es war schwierig, sie direkt zu beobachten, weil dazwischenliegendes Material unsere Sichtlinie verdeckte.
Jetzt wird die innere Scheibe mit der höchsten räumlichen Auflösung im infraroten Wellenlängenbereich nachgewiesen, die jemals für ein extragalaktisches Objekt durchgeführt wurde. Die neue Entdeckung wurde gerade in veröffentlicht Das Astrophysikalische Journal.
„Dies ist ein sehr aufregender Schritt nach vorne, um die innere Region einer fernen Galaxie mit so feinen Details zu betrachten“, sagte Gail Schaefer, stellvertretende Direktorin des Center for High Angular Resolution Astronomy (CHARA) Array.
Man nimmt an, dass im Zentrum jeder großen Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch existiert. Wenn Material in der Umgebung zum Zentrum gezogen wird, bildet das Gas eine heiße und helle scheibenartige Struktur. In einigen Fällen tritt ein Jet aus der Nähe des Schwarzen Lochs in einer Richtung im rechten Winkel zur Scheibe aus. Diese flache Struktur, die im Wesentlichen der „Motor“ dieses aktiven supermassiven Schwarzen-Loch-Systems ist, wurde jedoch nie direkt gesehen, da sie zu klein ist, um von herkömmlichen Teleskopen erfasst zu werden.
Eine Möglichkeit, sich dieser Schlüsselstruktur zu nähern, besteht darin, direkt einen äußeren „Staubring“ zu sehen – interstellares Gas enthält Staubkörner, winzige feste Partikel aus schweren Elementen, die nur in der äußeren Region überleben können, wo die Temperatur niedrig genug ist (
Versuche, diese Struktur von der Seite zu sehen, sind schwierig, da das System durch den gleichen Staub verdeckt wird, der als Lichtabsorber wirkt. Stattdessen konzentrierte sich das Team in der neuen Untersuchung auf ein System mit frontaler Sicht, das hellste derartige Objekt im nahen Universum. Die Detektion erforderte jedoch eine sehr hohe räumliche Auflösung im infraroten Wellenlängenbereich und gleichzeitig eine große Anzahl von Teleskopen, die geeignet ausgelegt sind, um Objekte in verschiedenen Ausrichtungen zu beobachten.
Das Interferometer CHARA Array der Georgia State University am Mount Wilson Observatory in Kalifornien ist die einzige Einrichtung, die diese beiden Anforderungen erfüllt. Das Array besteht aus 6 Teleskopen, von denen jedes einen Spiegel mit einem Durchmesser von 1 Meter hat, die kombiniert werden, um die räumliche Auflösung eines viel größeren Teleskops zu erreichen.
Während jedes einzelne Teleskop relativ klein ist, ist das Array-Layout optimiert, um Objekte in einer Vielzahl von Winkeln und mit großen Abständen zwischen den Teleskopen zu beobachten. Dadurch wird ein sehr hohes räumliches Auflösungsvermögen erreicht. Das CHARA-Array hat tatsächlich die schärfsten Augen der Welt im Infrarotbereich.
Mit dem CHARA-Array entdeckte das Team schließlich den staubigen Ring im rechten Winkel zu dem auftauchenden Jet namens NGC 4151 im Zentrum der Galaxie.
„Wir haben lange gehofft, diese Struktur in einem nackten Kernobjekt zu sehen“, sagt Makoto Kishimoto, Hauptforscher des Projekts an der Kyoto Sangyo University.
Ein großer Schub war, dass jedes Teleskop kürzlich ein neues System namens „adaptive Optik“ hinzugefügt hat.
Matt Anderson, ein Postdoktorand am CHARA Array, der eine entscheidende Rolle bei der Durchführung der Beobachtungen spielte, sagt: „Dies hat die Injektionsrate des Lichts stark erhöht und den relativ kleinen Sammelspiegel kompensiert, um das viel schwächere extragalaktische Ziel zu beobachten als die stellaren Ziele, die normalerweise in unserer Galaxie beobachtet werden.“
In den letzten fast 40 Jahren glaubten Forscher auf diesem Gebiet, dass dieser staubige Ring ein Schlüssel zum Verständnis verschiedener Eigenschaften von akkretierenden supermassiven Schwarzlochsystemen ist. Die Eigenschaften, die wir beobachten, hängen davon ab, ob wir einen verdeckten Blick von der Seite oder einen klaren Blick von vorne auf den Kern der aktiven Galaxie haben. Der Nachweis dieser ringartigen Struktur bestätigt dieses Modell.
Darüber hinaus ist die Erkennung wahrscheinlich nicht nur ein Hinweis auf eine flache Struktur. Zusätzliche Studien haben gezeigt, dass die Struktur, die bei etwas längeren Infrarotwellenlängen gesehen wird, was einer noch größeren äußeren Region entspricht, entlang des Jets verlängert erscheint und nicht im rechten Winkel dazu. Dies wurde als Hinweis darauf interpretiert, dass ein staubiger Wind in Strahlrichtung ausgeblasen wird.
Der aktuelle Befund, dass die innere Struktur flach und senkrecht zum Jet aussieht, ist eine wichtige Verbindung zu der windigen Struktur und ihrer Wechselwirkung mit dem Rest der Galaxie, die das aktive Schwarze-Loch-System umgibt.
Diese bahnbrechenden Beobachtungen haben die Größe und Ausrichtung der Staubscheibe gemessen. Das Team arbeitet daran, ein noch detaillierteres Bild der zentralen Region zu erhalten, indem es ein neues Instrument am CHARA-Array baut, das tiefer in den Weltraum sehen und feinere Strukturen der Quelle auflösen kann.
Mehr Informationen:
Makoto Kishimoto et al, The Dust Sublimation Region of the Type 1 AGN NGC 4151 at a Hundred Microarcsecond Scale as Resolved by the CHARA Array Interferometer, Das Astrophysikalische Journal (2022). DOI: 10.3847/1538-4357/ac91c4