Das beobachtbare Universum ist ein extrem großer Ort mit einem geschätzten Durchmesser von 91 Milliarden Lichtjahren. Infolgedessen sind Astronomen gezwungen, sich auf leistungsstarke Instrumente zu verlassen, um weit entfernte Objekte zu sehen. Aber selbst diese sind manchmal begrenzt und müssen mit einer Technik kombiniert werden, die als Gravitationslinsen bekannt ist. Dies beinhaltet die Verwendung einer großen Verteilung von Materie (einer Galaxie oder eines Sterns), um das von einem entfernten Objekt kommende Licht zu vergrößern.
Mit dieser Technik konnte ein internationales Team unter der Leitung von Forschern des Owens Valley Radio Observatory (OVRO) des California Institute of Technology (Caltech) Heißgasstrahlen beobachten, die aus einem supermassiven Schwarzen Loch in einer entfernten Galaxie (bekannt als PKS 1413 +) austraten 135). Die Entdeckung lieferte die bisher beste Übersicht über die Arten von heißem Gas, die häufig aus den Zentren supermassiver Schwarzer Löcher (SMBH) stammen.
Die Forschungsergebnisse wurden in zwei Studien beschrieben, die in der Ausgabe vom 15. August von veröffentlicht wurden Das astrophysikalische Journal. Beide wurden von Harish Vedantham, einem Postdoktoranden von Caltech Millikan, geleitet und waren Teil eines internationalen Projekts unter der Leitung von Anthony Readhead - dem emeritierten Robinson-Professor für Astronomie und Direktor der OVRO.
Dieses OVRO-Projekt ist seit 2008 aktiv und führt zweimal wöchentlich Beobachtungen von rund 1.800 aktiven SMBHs und ihren jeweiligen Galaxien mit seinem 40-Meter-Teleskop durch. Diese Beobachtungen wurden zur Unterstützung des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA durchgeführt, das im gleichen Zeitraum ähnliche Studien zu diesen Galaxien und ihren SMBHs durchgeführt hat.
Wie das Team in seinen beiden Studien angedeutet hat, haben diese Beobachtungen neue Einblicke in die Materieklumpen geliefert, die regelmäßig aus supermassiven Schwarzen Löchern ausgestoßen werden, und neue Möglichkeiten für die Gravitationslinsenforschung eröffnet. Wie Dr. Vedantham kürzlich in einer Pressemitteilung von Caltech angedeutet hat:
„Wir haben über die Existenz dieser Materialklumpen gewusst, die entlang von Schwarzlochstrahlen strömen, und dass sie sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, aber über ihre interne Struktur oder wie sie gestartet werden, ist nicht viel bekannt. Mit Linsensystemen wie diesem können wir die Klumpen näher am zentralen Motor des Schwarzen Lochs und viel detaillierter als zuvor sehen. “
Während angenommen wird, dass alle großen Galaxien ein SMBH im Zentrum ihrer Galaxie haben, werden nicht alle von heißen Gasstrahlen begleitet. Das Vorhandensein solcher Jets ist mit einem sogenannten Active Galactic Nucleus (AGN) verbunden, einer kompakten Region im Zentrum einer Galaxie, die in vielen Wellenlängen besonders hell ist - einschließlich Radio, Mikrowelle, Infrarot, optisch, ultraviolett, Röntgen- und Gammastrahlung.
Diese Düsen sind das Ergebnis von Material, das zu einem SMBH gezogen wird, von dem einige in Form von heißem Gas ausgestoßen werden. Das Material in diesen Strömen bewegt sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit, und die Ströme sind für Zeiträume von 1 bis 10 Millionen Jahren aktiv. Während die Jets die meiste Zeit relativ gleichmäßig sind, spucken sie alle paar Jahre zusätzliche Klumpen heißer Materie aus.
Bereits 2010 stellten die OVRO-Forscher fest, dass sich die Funkemissionen des PKS 1413 + 135 im Laufe eines Jahres aufgehellt, verblasst und dann wieder aufgehellt hatten. Im Jahr 2015 stellten sie das gleiche Verhalten fest und führten eine detaillierte Analyse durch. Nachdem sie andere mögliche Erklärungen ausgeschlossen hatten, kamen sie zu dem Schluss, dass die allgemeine Aufhellung wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass zwei Hochgeschwindigkeitsklumpen aus dem Schwarzen Loch ausgeworfen wurden.
Diese Klumpen bewegten sich entlang des Strahls und wurden vergrößert, als sie hinter der Gravitationslinse vorbeikamen, die sie für ihre Beobachtungen verwendeten. Diese Entdeckung war ein Zufall und das Ergebnis langjähriger astronomischer Studien. Wie Timothy Pearson, ein leitender Wissenschaftler bei Caltech und Mitautor des Papiers, erklärte:
„Es waren Beobachtungen einer großen Anzahl von Galaxien erforderlich, um dieses eine Objekt mit den symmetrischen Helligkeitsabfällen zu finden, die auf das Vorhandensein einer Gravitationslinse hinweisen. Wir schauen uns jetzt alle anderen Daten genau an, um ähnliche Objekte zu finden, die eine vergrößerte Ansicht der galaktischen Kerne ermöglichen. “
Spannend an den Beobachtungen des internationalen Teams war auch die Art der verwendeten „Linse“. In der Vergangenheit haben sich Wissenschaftler auf massive Linsen (d. H. Ganze Galaxien) oder Mikrolinsen verlassen, die aus einzelnen Sternen bestanden. Das Team um Dr. Vedantham und Dr. Readhead stützte sich jedoch auf eine sogenannte „Millilinse“ mit etwa 10.000 Sonnenmassen.
Dies könnte die erste Studie in der Geschichte sein, die sich auf eine Linse mittlerer Größe stützte, von der sie glauben, dass es sich höchstwahrscheinlich um einen Sternhaufen handelt. Einer der Vorteile eines milli-großen Objektivs besteht darin, dass es nicht groß genug ist, um die gesamte Lichtquelle auszublenden, wodurch kleinere Objekte leichter erkannt werden können. Es wird geschätzt, dass Astronomen mit diesem neuen Gravitationslinsensystem Klumpen in etwa 100-mal kleineren Maßstäben als zuvor beobachten können. Wie Readhead erklärte:
"Die Klumpen, die wir sehen, befinden sich sehr nahe am zentralen Schwarzen Loch und sind winzig - nur wenige Lichttage breit. Wir glauben, dass diese winzigen Komponenten, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, durch eine Gravitationslinse in der Vordergrundspiralgalaxie vergrößert werden. Dies bietet eine exquisite Auflösung von einer Millionstelsekunde Bogen, was der Betrachtung eines Salzkorns auf dem Mond von der Erde aus entspricht. “
Darüber hinaus weisen die Forscher darauf hin, dass die Linse selbst von wissenschaftlichem Interesse ist, aus dem einfachen Grund, dass über Objekte in diesem Massenbereich nicht viel bekannt ist. Dieser potenzielle Sternhaufen könnte daher als eine Art Labor fungieren und den Forschern die Möglichkeit geben, die Gravitations-Millilinsen zu untersuchen und gleichzeitig eine klare Sicht auf die Kernjets zu erhalten, die von aktiven galaktischen Kernen strömen.
Mit Blick auf die Zukunft hofft das Team, die Ergebnisse seiner Studien mit einer anderen Technik bestätigen zu können, die als Very-Long Baseline Interferometry (VLBI) bekannt ist. Dazu gehören Radioteleskope aus aller Welt, die detaillierte Bilder von PKS 1413 + 135 und der SMBH in ihrer Mitte aufnehmen. Angesichts dessen, was sie bisher beobachtet haben, ist es wahrscheinlich, dass diese SMBH in einigen Jahren (bis 2020) einen weiteren Klumpen von Materie ausspucken wird.
Vedantham, Readhead und ihre Kollegen planen, für diese Veranstaltung bereit zu sein. Das Erkennen dieses nächsten Klumpens würde nicht nur ihre jüngsten Studien bestätigen, sondern auch die Millilinsen-Technik, mit der sie ihre Beobachtungen durchgeführt haben. Wie Readhead sagte: "Ohne ein Universitätsobservatorium wie das Owens Valley Radio Observatory, in dem wir die Zeit haben, ein großes Teleskop ausschließlich einem einzigen Programm zu widmen, könnten wir solche Studien nicht durchführen."
Die Studien wurden dank der Finanzierung durch die NASA, die National Science Foundation (NSF), die Smithsonian Institution, die Academia Sinica, die Akademie von Finnland und das chilenische Centro de Excelencia en Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA) ermöglicht.
