Астрономы давно пытаются расшифровать взаимодействие между сверхмассивными черными дырами и их аккреционными дисками. В недавнем исследовании были обнаружены профили с двойными пиками в инфракрасных эмиссионных линиях вблизи активной галактики III Zw 002. Эти наблюдения, проведенные с помощью телескопа Gemini North, могут пролить новый свет на структуру аккреционных дисков черных дыр.
Сверхмассивные черные дыры, находящиеся в центре многих галактик, остаются одной из самых интригующих загадок Вселенной. Хотя их существование широко признано научным сообществом, точная динамика их взаимодействия с окружающими аккреционными дисками остается быстро расширяющейся областью исследований.
Недавно группа астрономов под руководством Денимары Диас дос Сантос из Национального института космических исследований (Бразилия) сообщила о первом обнаружении профилей двойных пиков в эмиссионных линиях ближнего инфракрасного диапазона активной галактики, получившей название III Zw 002. Исследование проводилось с помощью телескопа Gemini North и может пролить свет на некоторые из наименее изученных аспектов этих космических гигантов, а также расширить наши представления о динамике галактик. Работа опубликована в журнале .
Структура, необходимая для черных дыр, но трудно идентифицируемая
Аккреционные диски состоят из газа и пыли, объединенных в кольцевую структуру. Эти массы вращаются вокруг сверхмассивных черных дыр, гравитационная сила которых постоянно притягивает к ним вещество из диска. При падении на черную дыру выделяется огромное количество энергии, которая проявляется во всем электромагнитном спектре.
Аккреционные диски, хотя и играют важную роль в нашем понимании сверхмассивных черных дыр, представляют собой серьезную наблюдательную проблему. Их расположение на расстоянии миллионов и даже миллиардов световых лет от Земли в сочетании с небольшими размерами в космическом масштабе делает их прямое изображение чрезвычайно сложным при использовании современных технологий. Более того, поскольку они часто затмеваются подавляющей яркостью окружающих небесных объектов, их обнаружение становится еще более сложным.
Выявление эмиссионных линий
Вместо того чтобы пытаться наблюдать эти диски напрямую, астрономы обратились к их косвенным проявлениям в электромагнитном спектре. Одним из таких проявлений является характер двойных пиков эмиссионных линий. Проще говоря, когда аккреционный диск испускает свет, часть его излучения дает определенные сигнатуры в спектре. Эти сигнатуры, или профили двойных пиков, являются результатом быстрого вращения диска вокруг черной дыры, когда разные части диска движутся с разными скоростями относительно наблюдателя.
Поэтому обнаружение таких профилей с двойными пиками является явным признаком наличия аккреционного диска. Более того, анализируя форму, ширину и положение этих пиков, астрономы могут получить ценную информацию о структуре диска, скорости его вращения, температуре и даже составе.
На самом деле эти эмиссионные линии относятся к квантовому явлению. В зависимости от энергии атомы могут поглощать или излучать свет с определенной длиной волны. Когда атом возбужден, он находится в более высоком энергетическом состоянии. Когда он возвращается в более низкое энергетическое состояние, он излучает свет с характерной длиной волны. При анализе эти излучения образуют четкие «линии» в спектре, что позволяет ученым определять наличие и природу элементов в источнике света.
Наблюдения в инфракрасном диапазоне
В предыдущих исследованиях эти двухпиковые профили обнаруживались в основном в диапазоне длин волн видимого спектра. Точнее, они наблюдались в эмиссионных линиях H-альфа и H-бета. Эти две линии являются специфическими признаками водорода. Линия H-альфа возникает при переходе электронов в атомах водорода с третьего на второй энергетический уровень, а линия H-бета — при переходе с четвертого на второй энергетический уровень.
Однако недавнее открытие позволило выйти за пределы видимого диапазона и исследовать его в ближней инфракрасной области. В этом спектре впервые были обнаружены однозначные двухпиковые профили. В качестве эмиссионных линий были обнаружены линия Paschen-alpha и линия O I. Линия Paschen-alpha — это еще одна сигнатура водорода, аналогичная H-альфа и H-бета, но возникает она при переходе электронов с четвертого энергетического уровня на третий. Линия O I является сигнатурой нейтрального кислорода.
Последствия для будущих исследований
Группа исследователей сравнила результаты наблюдений с существующими моделями дисков, чтобы получить конкретные параметры BLR и сверхмассивной черной дыры III Zw 002. BLR, или область широких линий, — это область вокруг черной дыры, где газ движется с такими высокими скоростями, что испускает широкие эмиссионные линии в спектре.
Эти прогнозы позволяют предположить, что масса черной дыры в 400-900 млн. раз больше массы Солнца. Команда планирует продолжить наблюдение за III Zw 002, чтобы проследить, как ведет себя ее аккреционный диск с течением времени. Обнаружение этих профилей с двойными пиками в ближнем инфракрасном диапазоне значительно расширяет область наблюдений и открывает новые перспективы для понимания аккреционных дисков и их взаимодействия со сверхмассивными черными дырами.