I dag, astronomer från Sloan Digital Sky Survey (SDSS) tillkännagav nya mätningar av massorna av ett stort urval av supermassiva svarta hål långt bortom det lokala universum.

Resultaten, presenteras vid American Astronomical Society (AAS) möte i National Harbor, Maryland och publicerad i Astrofysisk tidskrift , representerar ett stort steg framåt i vår förmåga att mäta supermassiva svarta håls massor i ett stort antal avlägsna kvasarer och galaxer.

"Det här är första gången som vi direkt har mätt massor för så många supermassiva svarta hål så långt borta, säger Catherine Grier, en postdoktor vid Pennsylvania State University och huvudförfattaren till detta arbete. "Dessa nya mätningar, och framtida mätningar som dem, kommer att ge viktig information för människor som studerar hur galaxer växer och utvecklas under kosmisk tid."

Supermassiva svarta hål (SMBH) finns i centrum av nästan varje stor galax, inklusive de längst bort i universum. Gravitationsattraktionen hos dessa supermassiva svarta hål är så stor att närliggande damm och gas i värdgalaxen obönhörligen dras in. Det infallande materialet värms upp till så höga temperaturer att det lyser tillräckligt starkt för att kunna ses hela vägen över universum. Dessa ljusa skivor av het gas är kända som "kvasarer, " och de är tydliga indikatorer på närvaron av supermassiva svarta hål. Genom att studera dessa kvasarer, vi lär oss inte bara om SMBH, men också om de avlägsna galaxerna som de lever i. Men för att göra allt detta krävs mätningar av egenskaperna hos SMBH, viktigast av allt deras massor.

Problemet är att det är en skrämmande uppgift att mäta massorna av SMBH. Astronomer mäter SMBH-massor i närliggande galaxer genom att observera grupper av stjärnor och gas nära galaxens centrum – dock dessa tekniker fungerar inte för mer avlägsna galaxer, eftersom de är så långt borta att teleskop inte kan lösa deras centra. Direkta SMBH-massmätningar i galaxer längre bort görs med en teknik som kallas "efterklangskartläggning".

Efterklangskartläggning fungerar genom att jämföra ljusstyrkan hos ljus som kommer från gas mycket nära det svarta hålet (kallas "kontinuum"-ljus) med ljusstyrkan hos ljus som kommer från snabbrörlig gas längre ut. Förändringar som sker i kontinuumområdet påverkar det yttre området, men ljuset tar tid att färdas utåt, eller "återklang". Denna efterklang innebär att det finns en tidsfördröjning mellan variationerna som ses i de två regionerna. Genom att mäta denna tidsfördröjning, astronomer kan avgöra hur långt ut gasen är från det svarta hålet. Att veta att avståndet gör att de kan mäta massan av det supermassiva svarta hålet – även om de inte kan se detaljerna i själva det svarta hålet.

Under de senaste 20 åren, astronomer har använt efterklangskartläggningstekniken för att mödosamt mäta massorna av cirka 60 SMBHs i närliggande aktiva galaxer. Efterklangskartläggning kräver observationer av dessa aktiva galaxer, om och om igen i flera månader – och så för det mesta, mätningar görs för endast en handfull aktiva galaxer åt gången. Genom att använda efterklangskartläggningstekniken på kvasarer, som ligger längre bort, är ännu svårare, som kräver år av upprepade observationer. På grund av dessa observationssvårigheter, astronomer hade bara framgångsrikt använt efterklangskartläggning för att mäta SMBH-massor för en handfull mer avlägsna kvasarer – fram till nu.

I detta nya verk, Griers team har använt en industriell skala tillämpning av efterklangskartläggningstekniken med målet att mäta svarta hålsmassor i tiotals till hundratals kvasarer. Nyckeln till framgången för SDSS Reverberation Mapping-projektet ligger i SDSS:s förmåga att studera många kvasarer samtidigt – programmet observerar för närvarande cirka 850 kvasarer samtidigt. Men även med SDSS:s kraftfulla teleskop, detta är en utmanande uppgift eftersom dessa avlägsna kvasarer är otroligt svaga.

"Du måste kalibrera dessa mätningar mycket noggrant för att se till att du verkligen förstår vad kvasarsystemet gör, säger Jon Trump, en biträdande professor vid University of Connecticut och en medlem av forskargruppen.

Förbättringar i kalibreringarna erhölls genom att även observera kvasarerna med Canada-France-Hawaii-Telescope (CFHT) och Steward Observatory Bok-teleskopet som ligger vid Kitt Peak under samma observationssäsong. Efter att alla observationer sammanställts och kalibreringsprocessen slutförts, teamet hittade efterklangstid förseningar för 44 kvasarer. De använde dessa tidsfördröjningsmätningar för att beräkna svarta hålsmassor som sträcker sig från cirka 5 miljoner till 1,7 miljarder gånger vår sols massa.

"Detta är ett stort steg framåt för kvasarvetenskapen, säger Aaron Barth, professor i astronomi vid University of California, Irvine som inte var involverad i lagets forskning. "De har för första gången visat att dessa svåra mätningar kan göras i massproduktionsläge."

Dessa nya SDSS-mätningar ökar det totala antalet aktiva galaxer med SMBH-massmätningar med cirka två tredjedelar, och föra mätningarna längre tillbaka i tiden till när universum bara var hälften av sin nuvarande ålder. Men laget slutar inte där – de fortsätter att observera dessa 850 kvasarer med SDSS, och de ytterligare åren av data kommer att tillåta dem att mäta svarta håls massor i ännu mer avlägsna kvasarer, som har längre tidsfördröjningar som inte kan mätas med ett enda års data.

"Att få observationer av kvasarer under flera år är avgörande för att få bra mätningar, säger Yue Shen, en biträdande professor vid University of Illinois och huvudutredare för SDSS Reverberation Mapping-projektet. "När vi fortsätter vårt projekt för att övervaka fler och fler kvasarer under kommande år, vi kommer att kunna bättre förstå hur supermassiva svarta hål växer och utvecklas."

Framtiden för SDSS har många fler spännande möjligheter för att använda efterklangskartläggning för att mäta massor av supermassiva svarta hål över hela universum. Efter att den nuvarande fjärde fasen av SDSS avslutas 2020, den femte fasen av programmet, SDSS-V, börjar. SDSS-V har ett nytt program som heter Black Hole Mapper, som planerar att mäta SMBH-massor i mer än 1, 000 fler kvasarer, driva längre ut i universum än något efterklangskartläggningsprojekt någonsin tidigare.

"Black Hole Mapper kommer att låta oss gå in i en tidsålder av supermassiv svarthåls efterklangskartläggning i verklig industriell skala, säger Niel Brandt, professor i astronomi och astrofysik vid Pennsylvania State University och mångårig medlem av SDSS. "Vi kommer att lära oss mer om dessa mystiska föremål än någonsin tidigare."