Konstnärens intryck av en jättegalax med en högenergistråle. Kredit:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Som ett resultat av att ha uppnått ett högt dynamiskt avbildningsområde har ett team av astronomer i Japan för första gången upptäckt en svag radiostrålning som täcker en gigantisk galax med ett energiskt svart hål i mitten. Radioemissionen frigörs från gas som skapas direkt av det centrala svarta hålet. Teamet förväntar sig att förstå hur ett svart hål interagerar med sin värdgalax genom att tillämpa samma teknik på andra kvasarer.
3C273, som ligger på ett avstånd av 2,4 miljarder ljusår från jorden, är en kvasar. En kvasar är kärnan i en galax som tros hysa ett massivt svart hål i dess centrum, som sväljer dess omgivande material och avger enorm strålning. I motsats till sitt intetsägande namn är 3C273 den första kvasaren som någonsin upptäckts, den ljusaste och bäst studerade. Det är en av de mest observerade källorna med teleskop eftersom den kan användas som en standard för position på himlen:med andra ord, 3C273 är en radiofyr.
När du ser en bils strålkastare gör den bländande ljusstyrkan det utmanande att se de mörkare omgivningarna. Samma sak händer med teleskop när du observerar ljusa föremål. Dynamiskt omfång är kontrasten mellan de mest lysande och mörkaste tonerna i en bild. Du behöver ett högt dynamiskt omfång för att avslöja både de ljusa och mörka delarna i ett teleskops enda skott. ALMA kan regelbundet uppnå bilddynamiska intervall upp till cirka 100, men kommersiellt tillgängliga digitalkameror skulle vanligtvis ha ett dynamiskt intervall på flera tusen. Radioteleskop är inte särskilt bra på att se föremål med betydande kontrast.
3C273 har varit känt i decennier som den mest kända kvasaren, men kunskapen har koncentrerats till dess ljusa centrala kärnor, där de flesta radiovågor kommer ifrån. Mycket mindre har dock varit känt om själva värdgalaxen eftersom kombinationen av den svaga och diffusa galaxen med kärnan 3C273 krävde så höga dynamiska intervall för att upptäcka. Forskargruppen använde en teknik som kallas självkalibrering för att minska läckaget av radiovågor från 3C273 till galaxen, som använde själva 3C273 för att korrigera för effekterna av jordens atmosfäriska fluktuationer på teleskopsystemet. De nådde ett avbildningsdynamikområde på 85 000, ett ALMA-rekord för extragalaktiska objekt.
Quasar 3C273 observerad av Hubble Space Telescope (HST) (vänster). Den överdrivna ljusstyrkan resulterar i radiella läckor av ljus som skapas av ljus som sprids av teleskopet. Längst ner till höger finns en högenergistråle som släpps ut av gasen runt det centrala svarta hålet. | Radiobild av 3C273 observerad av ALMA, som visar den svaga och utökade radioemissionen (i blå-vit färg) runt kärnan (höger). Den ljusa centrala källan har subtraherats från bilden. Samma stråle som bilden till vänster kan ses i orange. Kredit:Komugi et al., NASA/ESA Hubble Space Telescope
Som ett resultat av att ha uppnått ett högt dynamiskt avbildningsområde upptäckte teamet den svaga radioemissionen som sträcker sig över tiotusentals ljusår över värdgalaxen 3C273. Radioemission runt kvasarer antyder vanligtvis synkrotronemission, som kommer från mycket energiska händelser som utbrott av stjärnbildning eller ultrasnabba jetstrålar som kommer från den centrala kärnan. En synkrotronstråle finns också i 3C273, som ses nere till höger på bilderna. En väsentlig egenskap hos synkrotronemission är dess ljusstyrka ändras med frekvens, men den svaga radioemission som upptäcktes av teamet hade konstant ljusstyrka oavsett radiofrekvens. Efter att ha övervägt alternativa mekanismer fann teamet att denna svaga och utökade radioemission kom från vätgas i galaxen som drivs direkt av kärnan 3C273. Det här är första gången som radiovågor från en sådan mekanism visar sig sträcka sig över tiotusentals ljusår i en kvasars värdgalax. Astronomer hade förbisett detta fenomen i decennier i denna ikoniska kosmiska fyr.
Så varför är denna upptäckt så viktig? Det har varit ett stort mysterium inom galaktisk astronomi om energin från en kvasarkärna kan vara tillräckligt stark för att beröva galaxens förmåga att bilda stjärnor. Den svaga radiostrålningen kan hjälpa till att lösa det. Vätgas är en väsentlig ingrediens för att skapa stjärnor, men om ett så intensivt ljus lyser på den att gasen demonteras (joniseras), kan inga stjärnor födas. För att studera om denna process sker runt kvasarer har astronomer använt optiskt ljus som sänds ut av joniserad gas. Problemet att arbeta med optiskt ljus är att kosmiskt stoft absorberar ljuset längs vägen till teleskopet, så det är svårt att veta hur mycket ljus gasen avger.
Dessutom är mekanismen som ansvarar för att avge optiskt ljus komplex, vilket tvingar astronomer att göra många antaganden. Radiovågorna som upptäckts i denna studie kommer från samma gas på grund av enkla processer och absorberas inte av damm. Att använda radiovågor gör det mycket lättare att mäta joniserad gas som skapas av 3C273:s kärna. I denna studie fann astronomerna att minst 7 % av ljuset från 3C273 absorberades av gas i värdgalaxen, vilket skapar joniserad gas som uppgår till 10–100 miljarder gånger solens massa. Men 3C273 hade mycket gas precis innan bildandet av stjärnor, så som helhet såg det inte ut som att stjärnbildningen var starkt undertryckt av kärnan.
"Denna upptäckt ger en ny väg att studera problem som tidigare hanterats med observationer av optiskt ljus", säger Shinya Komugi, docent vid Kogakuin University och huvudförfattare till studien publicerad i The Astrophysical Journal . "Genom att tillämpa samma teknik på andra kvasarer förväntar vi oss att förstå hur en galax utvecklas genom sin interaktion med den centrala kärnan." + Utforska vidare
