Den munkformade ringen som omger många supermassiva svarta hål berättar forskarna om hur snabbt rymdobjektet matar sig och kan förändra hur det svarta hålet ses från jorden. Kredit:ESA/NASA, AVO-projektet och Paolo Padovani
Svarta hål med olika ljussignaturer men som ansågs vara samma föremål som betraktas från olika vinklar befinner sig faktiskt i olika stadier av livscykeln, enligt en studie ledd av Dartmouth-forskare.
Forskningen om svarta hål kända som "aktiva galaktiska kärnor" eller AGN säger att den definitivt visar behovet av att revidera den allmänt använda "enhetliga modellen av AGN" som kännetecknar supermassiva svarta hål som alla har samma egenskaper.
Studien, publicerad i The Astrophysical Journal Supplement Series , ger svar på ett tjatande rymdmysterium och borde göra det möjligt för forskare att skapa mer exakta modeller om universums utveckling och hur svarta hål utvecklas.
"Dessa föremål har mystifierat forskare i över ett halvt sekel", säger Tonima Tasnim Ananna, en postdoktorand forskningsassistent vid Dartmouth och huvudförfattare till tidningen. "Med tiden har vi gjort många antaganden om dessa objekts fysik. Nu vet vi att egenskaperna hos mörka svarta hål skiljer sig väsentligt från egenskaperna hos AGN:er som inte är lika mycket dolda."
Supermassiva svarta hål tros finnas i centrum av nästan alla stora galaxer, inklusive Vintergatan. Objekten slukar galaktisk gas, damm och stjärnor, och de kan bli tyngre än små galaxer.
I decennier har forskare varit intresserade av ljussignaturerna hos aktiva galaktiska kärnor, en typ av supermassiva svarta hål som "tillväxt" eller i ett snabbt tillväxtstadium.
Från och med slutet av 1980-talet insåg astronomer att ljussignaturer från rymden från radiovåglängder till röntgenstrålar kunde tillskrivas AGN. Man antog att föremålen vanligtvis hade en munkformad ring — eller "torus" — av gas och damm runt sig. De olika ljusstyrkorna och färgerna förknippade med föremålen ansågs vara resultatet av vinkeln från vilken de observerades och hur mycket av torusen som skymmer sikten.
Från detta blev den förenade teorin om AGNs den rådande förståelsen. Teorin vägleder att om ett svart hål ses genom sin torus, bör det verka svagt. Om den ses underifrån eller ovanför ringen ska den se ljus ut. Enligt den aktuella studien, men den tidigare forskningen förlitade sig alltför mycket på data från mindre dolda föremål och skeva forskningsresultat.
Den nya studien fokuserar på hur snabbt svarta hål livnär sig på rymdmateria, eller deras ansamlingshastighet. Forskningen fann att ansamlingshastigheten inte beror på massan av ett svart hål, det varierar avsevärt beroende på hur skylt det är av gas- och dammringen.
"Detta ger stöd för tanken att torusstrukturerna runt svarta hål inte är desamma", säger Ryan Hickox, professor i fysik och astronomi och medförfattare till studien. "Det finns ett samband mellan strukturen och hur den växer."
Resultatet visar att mängden damm och gas som omger en AGN är direkt relaterad till hur mycket den matar, vilket bekräftar att det finns skillnader bortom orienteringen mellan olika populationer av AGN. När ett svart hål ansamlas i hög hastighet blåser energin bort damm och gas. Som ett resultat är det mer sannolikt att det är otäckt och ser ljusare ut. Omvänt är en mindre aktiv AGN omgiven av en tätare torus och verkar svagare.
"Tidigare var det osäkert hur den fördunklade AGN-populationen varierade från deras mer lätt observerbara, icke skymda motsvarigheter," sa Ananna. "Denna nya forskning visar definitivt en grundläggande skillnad mellan de två populationerna som går utöver betraktningsvinkeln."
Studien härrör från en decenniumslång analys av närliggande AGN som upptäckts av Swift-BAT, ett NASA-röntgenteleskop med hög energi. Teleskopet gör det möjligt för forskare att skanna det lokala universum för att upptäcka dolda och otäckta AGN.
Forskningen är resultatet av ett internationellt vetenskapligt samarbete – BAT AGN Spectroscopic Survey (BASS) – som har arbetat över ett decennium för att samla in och analysera optisk/infraröd spektroskopi för AGN observerad av Swift BAT.
"Vi har aldrig haft ett så stort urval av röntgenupptäckt mörk lokal AGN tidigare," sa Ananna. "Detta är en stor vinst för högenergiröntgenteleskop."
Uppsatsen bygger på tidigare forskning från forskargruppen som analyserar AGN. För studien utvecklade Ananna en beräkningsteknik för att bedöma effekten av att skymma materia på observerade egenskaper hos svarta hål, och analyserade data som samlats in av det bredare forskarteamet med denna teknik.
Enligt tidningen, genom att känna till ett svart håls massa och hur snabbt det matar, kan forskare avgöra när de flesta supermassiva svarta hål genomgick större delen av sin tillväxt, vilket ger värdefull information om utvecklingen av svarta hål och universum.
"En av de största frågorna inom vårt område är var kommer supermassiva svarta hål ifrån", sa Hickox. "Denna forskning ger en kritisk del som kan hjälpa oss att besvara den frågan och jag förväntar mig att den kommer att bli en referens för denna forskningsdisciplin."
Framtida forskning kan inkludera att fokusera på våglängder som gör att teamet kan söka bortom det lokala universum. På kortare sikt skulle teamet vilja förstå vad som utlöser AGN:er att gå in i högaccretion-läge, och hur lång tid det tar snabbt accretionerande AGN:er att övergå från kraftigt dolda till otäckta. + Utforska vidare
