Aktywnie karmiąca się czarna dziura otacza się dyskiem gorącego gazu i pyłu, który migocze jak ognisko. Astronomowie odkryli, że monitorowanie zmian w tych migotaniach może ujawnić coś, co jest notorycznie trudne do zmierzenia: ciężar czarnej dziury.
„To nowy sposób na ważenie czarnych dziur” – mówi astronom Colin Burke z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign. Co więcej, metoda ta może być zastosowana do każdego obiektu astrofizycznego z dyskiem akrecyjnym, a nawet może pomóc w znalezieniu nieuchwytnych czarnych dziur średniej wielkości, donoszą naukowcy w Science z 13 sierpnia.
Nie jest łatwo zmierzyć masę czarnej dziury. Po pierwsze, te ciemne behemoty są notorycznie trudne do zobaczenia. Jednak czasami czarne dziury ujawniają się podczas jedzenia. Gdy gaz i pył wpada do czarnej dziury, materiał organizuje się w dysk, który jest rozgrzany do białej temperatury i może, w niektórych przypadkach, prześwietlić wszystkie gwiazdy w galaktyce razem wzięte.
Pomiar średnicy czarnej dziury może ujawnić jej masę przy użyciu ogólnej teorii względności Einsteina. Jednak tylko teleskop Event Horizon dokonał takiego pomiaru, i to tylko dla jednej czarnej dziury (SN: 4/22/19). Inne czarne dziury zostały zważone poprzez obserwacje ich wpływu na otaczającą je materię, ale to wymaga dużej ilości danych i nie działa dla każdej supermasywnej czarnej dziury.
Szukając innego sposobu, Burke i jego koledzy zwrócili się do dysków akrecyjnych. Astronomowie nie są pewni, w jaki sposób dyski czarnych dziur migoczą, ale wygląda na to, że niewielkie zmiany w świetle łączą się z rozjaśnieniem lub przyciemnieniem całego dysku w określonym czasie. Poprzednie badania wskazywały, że czas potrzebny dyskowi na wyblaknięcie, rozjaśnienie i ponowne wyblaknięcie jest związany z masą centralnej czarnej dziury. Jednak te twierdzenia były kontrowersyjne i nie obejmowały pełnego zakresu mas czarnych dziur, mówi Burke.
Burke i jego współpracownicy zebrali więc obserwacje 67 aktywnie karmiących czarnych dziur o znanych masach. Te behemoty miały rozmiary od 10 000 do 10 miliardów mas Słońca. W przypadku najmniejszych z tych czarnych dziur, migotanie zmieniało się w skali czasowej od godzin do tygodni. Supermasywne czarne dziury o masach od 100 milionów do 10 miliardów mas Słońca migotały wolniej, co kilkaset dni.
„To daje nam wskazówkę, że jeśli ta zależność dotyczy małych supermasywnych czarnych dziur i dużych, to może jest to jakaś uniwersalna cecha” – mówi Burke.
Z ciekawości zespół przyjrzał się również białym karłom, zwartym ciałom gwiazd takich jak Słońce, które są jednymi z najmniejszych obiektów posiadających spójne dyski akrecyjne. Te białe karły podążały za tą samą zależnością pomiędzy prędkością migotania a masą.
Analizowane czarne dziury nie pokryły całego możliwego zakresu mas. Znane czarne dziury, których masa jest od 100 do 100 000 razy większa od masy Słońca, są rzadkie. Istnieje kilku potencjalnych kandydatów, ale tylko jedna została potwierdzona (SN: 9/2/20). W przyszłości związek pomiędzy migotaniem dysku a masą czarnej dziury może powiedzieć astronomom dokładnie, jakiego rodzaju migotania dysku szukać, aby pomóc wydobyć te średniej wielkości bestie z ukrycia, o ile w ogóle można je tam znaleźć, mówi Burke.
Astrofizyk Vivienne Baldassare z Washington State University w Pullman bada czarne dziury w galaktykach karłowatych, które mogą zachowywać niektóre właściwości starożytnych czarnych dziur, które uformowały się we wczesnym wszechświecie. Jednym z największych wyzwań w jej pracy jest pomiar masy czarnych dziur. Bardzo ekscytujące wyniki badań (…) będą miały duży wpływ na moje badania, a spodziewam się, że także na wiele innych” – mówi.
Metoda oferuje prostszy sposób ważenia czarnych dziur niż jakakolwiek poprzednia technika, mówi Burke – ale niekoniecznie szybszy. Na przykład bardziej masywne czarne dziury potrzebowałyby setek dni, a może nawet lat obserwacji, aby ujawnić swoją masę.
