Supermassive sorte huller til måling af kosmiske afstande
Et af de store problemer indenfor astronomien er at måle meget store afstande i universet. De hidtidige metoder måler relative afstande, men nu viser forskning fra Niels Bohr Institutet, at man ved hjælp af supermassive sorte huller kan måle nøjagtige afstande. Resultaterne er publiceret i det ansete videnskabelige tidsskrift, Nature.
Galaksen, NGC 4151 kaldes ’Saurons Øje’ for dens lighed med øjet i filmen Lord of the Rings. Billedet viser det supermassive sorte hul, der stadig aktivt, det vil sige, at det opsluger gas- og støvskyer fra omgivelserne. I dén proces udsender det ultraviolet stråling, som opvarmer den ringformede støvsky, der i en afstand cirkulerer omkring det sorte hul, og det får støvskyen til at udsende infrarød stråling (NASA).
Den aktive galakse, NGC 4151 kaldet, ’Saurons Øje’ for dens lighed med øjet i filmen Lord of the Rings, er en mellemstor spiralgalakse. Den har et supermassivt sort hul i midten, og det sorte hul er stadig aktivt, det vil sige, at det opsluger gas- og støvskyer fra omgivelserne, og det er dén proces, der gør det muligt at bruge det til at måle afstanden til galaksen.
”Når gassen falder ind mod det sorte hul, bliver den varmet op og udsender ultraviolet stråling. Den ultraviolette stråling opvarmer den ringformede støvsky, der i en afstand cirkulerer omkring det sorte hul, og det får støvskyen til at udsende infrarød stråling. Ved hjælp af teleskoper på Jorden kan vi nu måle den tidsforskel, der er mellem lyset fra det sorte hul og lyset fra støvskyen. Den tidsforskel er ca. 30 dage, og da vi kender lysets hastighed, kan vi derved beregne den afstand, der er mellem det sorte hul og den omkransende støvsky”, fortæller Darach Watson, lektor i Dark Cosmology Centre på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.
Ved at kombinere lyset fra de to 10-meter Keck-teleskoper på Mauna Kea på Hawaii med en metode kaldet interferometri, kunne de opnå en effektiv opløsning, der svarer til et teleskop med et spejl på 85 meter (afstanden mellem de to teleskoper). (Credit: NASA/JPL)
Nøjagtig afstandsmåling
Han fortæller, at ved at kombinere lyset fra de to 10-meter Keck-teleskoper på Mauna Kea på Hawaii med en metode kaldet interferometri, kunne de opnå en effektiv opløsning, der svarer til et teleskop med et spejl på 85 meter (afstanden mellem de to teleskoper). Det giver en meget høj opløsning, og det gør dem i stand til at måle, hvor stor støv-ringen ser ud på himlen, (ca. tolv milliontedel af en grad). Det er hundrede gange bedre opløsning end Hubble rumteleskopet. Ved nu at kombinere data om støv-ringens størrelse på himlen med den fysiske størrelse på 30 lysdage, kan man ved simpel geometrisk trekantsmåling beregne afstanden til Jorden.
Når gassen falder ind mod det sorte hul, bliver den varmet op og udsender ultraviolet lys. Det ultraviolette lys opvarmer den ringformede støvsky, der cirkulerer omkring det sorte hul, og det får støvskyen til at udsende infrarødt lys. Ved hjælp af teleskoper på Jorden kunne astronomerne måle den tidsforskel, der er mellem lyset fra det sorte hul og lyset fra støvskyen. Den tidsforskel er 30 dage. (Credit: Marie Dyekjær Eriksen)
”Vi kunne beregne afstanden til at være 62 millioner lysår. De hidtidige beregninger baseret på rødforskydning (ændring af lysets bølgelængde på grund af objektets hastighed væk fra os) havde før været på mellem 13 millioner og 95 millioner lysår, så fra at have en stor usikkerhed, kan vi nu fastslå afstanden nøjagtigt. Det har meget stor betydning for astronomiske beregninger af afstande i rummet”, siger Darach Watson.
Ren magi
Forskningen er primært et samarbejde mellem Darach Watson og Sebastian Hoenig, ph.d, der nu arbejder på University of Southampton, men dengang var ansat på Dark Cosmology Centre på Niels Bohr Institutet. Darach Watson fortæller, at de begge var begejstrede over resultaterne.
”Processen var nærmest magisk. Det vigtigste ved afstandsmåling er høj præcision - hvor præcis er metoden. Vi vidste, at hvis vi kunne få usikkerheden ned til omkring 10 procent, ville det være betydningsfuldt, men vi havde ingen idé om, at det var muligt. Da vi først indså, at vi kunne udføre denne måling, vidste vi, at nøjagtigheden af målingen af vinklen til det sorte hul og passagen af lys fra det sorte hul ud til støvskyen begge kun var omkring 30 procent. Normalt når man dividerer sådanne to tal, går nøjagtigheden af forholdstallet ned, så vi havde forventet en samlet nøjagtighed på 40 procent eller deromkring. Men det var ikke, hvad der skete. Det viste sig, at den største usikkerhed i begge målinger var fordeling af lysstyrken på tværs af støvringen. Og det var den samme i begge målinger, så når vi delte det ene tal med det andet, blev usikkerheden annulleret - den forsvandt simpelthen. Sebastian Hoenig lavede den oprindelige beregning, og han sagde til mig: "Du vil aldrig tro, hvad nøjagtigheden er, gæt!" Normalt indenfor videnskab kæmper man så hårdt for at få noget til at passe eller til at fungere rigtigt. Men en gang imellem - dog sjældent, opstår der magi - som en gave, og alt falder bare perfekt på plads. Det er, hvad der skete her", fortæller Darach Watson.
Sorte huller tungere end antaget
Den aktive galakse, NGC 4151, er en mellemstor spiralgalakse. Med den nye metode, har astronomerne nu kunnet beregne den nøjagtige afstand til at være 62 millioner lysår fra Jorden. (Credit: David W. Hogg)
Det, at få en nøjagtig afstand til det sorte hul betyder, at man nu kan beregne dets masse nøjagtigt.
”Beregningerne af massen (tyngden) af de supermassive sorte huller i hjertet af galakserne afhænger af to hovedfaktorer: Rotationshastigheden af galaksens stjerner, og hvor langt der er fra det sorte hul ud til stjernerne. Rotationshastigheden kan man observere, og afstanden fra det sorte hul ud til den roterende skive af stjerner kan man nu beregne nøjagtigt med den nye metode. Vores beregninger viser, at de supermassive sorte huller er 40 procent tungere end hidtil antaget. Det ændrer fundamentalt alle afgørelser af sorte hullers masse”, fortæller Darach Watson.
Derudover kan de nye præcise afstandsmålinger blive den mest nøjagtige måde til at måle Hubbles konstant, det vil sige den hastighed, som det nuværende univers udvider sig med og derigennem afgør universets alder.
Darach Jafar Watson, lektor i Dark Cosmology Centre på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, +45 35 32 59 94, +45 24 80 38 25, darach@dark-cosmology.dk