[Al_Ganonim]

Hej Astromirki, jak zmierzyć masę czarnej dziury?

Takie pytanie zadał niedawno @Napleton w swoim wpisie. Pojawiła się też niepewność, czy można używać do tego celu praw Keplera. Jak zwykle, odpowiadając nieco się rozpisałem i w ten sposób powstała treść niniejszego wpisu :). Poniżej przedstawiam wam nieco przeredagowaną odpowiedź na pytanie: "co te astronomy potrzebują, żeby zmierzyć masę czarnej dziury?"

Zaczniemy od praw Keplera. One opisują zagadnienie dwóch ciał orbitujących wspólny środek masy. Można je zaaplikować do Słońca i planety, do gwiazdy i czarnej dziury, a nawet do dwóch ziarenek groszku orbitujących wokół siebie gdzieś pomiędzy Jowiszem i Uranem.

Obserwacje gwiazdy, która krąży wokół czarnej dziury w centrum galaktyki jest o tyle trudna, że gwiazda ta porusza się dość powoli. Nie mamy takich instrumentów, by z dostateczną precyzją obserwować jej przesunięcia w skali minut lub godzin. Obserwacje muszą trwać miesiące lub lata. Robi się serię zdjęć, wykonujemy astrometrię (pomiary położenia obiektów) i czekamy ileś miesięcy aż przesunięcie będzie zauważalne. Następnie robimy serię zdjęć, astrometrię... no i tak w kółko.

Jeśli zrobimy założenie, że gwiazda krążąca wokół czarnej dziury w centrum Galaktyki jest pod wpływem wyłącznie tej czarnej dziury, to możemy stosować prawa Keplera. Wtedy, równania mechaniki niebieskiej pozwalają znaleźć parametry orbity posługując się zaledwie trzema pomiarami dla jednej gwiazdy (czyli prace zajmą trzy lata, jeśli zdjęcia będzie się robić raz na rok). Im więcej gwiazd, tym dokładniejsze szacunki. Zawsze mogą być przecież jakieś nieprzewidziane wcześniej efekty.

No i właśnie, wokół tej centralnej czarnej dziury jest więcej gwiazd i one na siebie faktycznie wpływają. Tutaj prawa Keplera już nie będą działały bardzo dokładnie, bo z założenia opisują izolowany układ dwóch ciał. Żeby zbadać, jak oddziałują na siebie wszystkie gwiazdy i centralna czarna dziura, trzeba wrócić się do równań Newtona i rozwiązywać problem numerycznie (znaczy z komputerem, przybliżeniami). To jest powodem, że masę czarnej dziury w centrum galaktyki poznajemy w pierwszym przybliżeniu stosując prawa Keplera, ale pomiary dokładniejsze wymagają numeryki.

Nieco inna sprawą jest szacowanie masy czarnej dziury, która sobie siedzi w układzie podwójnym jako sąsiadka innej, zwykłej gwiazdy. Zazwyczaj takie układy podwójne (takie, które obserwujemy) mają krótki okres orbitalny: rzędu godzin. Badamy takie obiekty, w których masa z gwiazdy jest ściągana na czarną dziurę. Materia nie trafia jednak bezpośrednio na czarną dziurę, ale tworzy taki twór podobny do gorących pierścieni Saturna, który nazywamy dyskiem akrecyjnym. To z tego dysku materia opada na czarną dziurę. Możemy wtedy badać jej masę na kilka sposobów.

Jeden z nich będzie opierał się na prawach Keplera. W nim musimy poznać masę gwiazdy towarzyszącej, co nie jest trywialne. Zwykle znamy tę masę z marną dokładnością (w niektórych przypadkach nawet +/- 50%), ale jeśli gwiazda pulsuje, to używamy asterosejsmologii i szacunki masy poprawiają się, osiągając precyzję nawet kilku %. Dalej droga jest już prosta, bo zaprzęgamy prawa Keplera, znaną masę gwiazdy towarzyszącej i stosunek mas układu.

Drugi, przykładowy sposób, to pomiar jasności wewnętrznych orbit dysku akrecyjnego. Używając technik spektroskopowych modelujemy, jaka musiałaby być masa czarnej dziury, żeby wywołała ona takie efekty w dysku akrecyjnym, jakie obserwujemy. Bada się charakterystyczne sygnały rozbijając światło dysku na tęczę, czyli widmo. Tam badamy natężenia i szerokości konkretnych linii spektralnych. Ta technika jest dość elegancka, ale opiera się na kilku uogólnieniach teoretycznych, dlatego ciężko mi oszacować jej dokładność. Niemniej, jest ona często stosowana.

Jeszcze jedna metoda, jaka przychodzi mi teraz do głowy, to obserwacje jednorazowych wydarzeń na niebie, które nazywają się mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym. Tam obserwujemy pojaśnienie odległej gwiazdy, które nastąpiło, bo na linii patrzenia między gwiazdą a obserwatorem wpakowała się jakaś inna gwiazda. To jest to samo wydarzenie, które powoduje, że widzimy mocno zdeformowany obraz bardzo odległych galaktyk (tyle że skala jest o wiele mniejsza). Jeśli tą inną gwiazdą będzie czarna dziura, to możemy oszacować jej masę badając sygnał pojaśnienia gwiazdy tła. Tu taka ciekawostka, że badając typowy sygnał pojaśnienia, nie sposób odróżnić, czy zostało ono spowodowane przez czarną dziurę o masie kilku Słońc, czy może przez małą gwiazdkę o masie połowy Słońca. Istnieją za to pewne kombinacje, które pozwalają dobrze zawęzić masę soczewkującego obiektu. Literatura zna kilka takich pojaśnień, które mogły być spowodowane przez gwiazdową czarną dziurę.

To tyle :)

Na koniec przypomnę, że masy supermasywnych czarnych dziur podajemy w astronomii z dokładnością do rzędu wielkości, a nie do miejsca po przecinku. Także jak ktoś Wam powie, że: "masa tej czarnej dziury jest rzędu 10^10 mas Słońca", to znaczy że może to być od kilku miliardów do kilkudziesięciu miliardów Słońc. Niepewność asymetryczna z machnięciem o 1000% się zdarza ( ͡° ͜ʖ ͡°). Ale wciąż jest akceptowalne.

Jako obrazek załączam gif z pomiarami położeń gwiazd wokół centralnej czarnej dziury w Drodze Mlecznej. Obserwacje były wykonywane przez teleskopy KECK między 1996 a 2012 rokiem.

#kosmos #astronomia #ciekawostki #gruparatowaniapoziomu
... i mój tag, gdzie wypisuję tego typu rzeczy: #astronomiaodkuchni

[d.....4]

@Al_Ganonim: tak z ciekawości, a co w przypadku układu podwójnego składającego się z dwóch czarnych dziur? Możliwe jest wtedy ustalenie masy każdej z nich?

[Al_Ganonim]

@dragon240994: Tak. W przybliżeniu :). Sam obserwuję taki układ z Krakowa. Jakiś czas temu pisała o nim na mirko @ColdMary6100 :). Ten blazar nazywa się OJ287 i wedle wiodącego modelu składa się z dwóch czarnych dziur. Pic rel.

[semaj]

@Al_Ganonim: A ja mam trochę inne pytanie ;) Jak obserwujemy gwiazdy położone w centrum Galaktyki? Ramię Oriona jest chyba dość daleko od jądra, a na niebie patrzymy wzdłuż płaszczyzny galaktyki, więc nie powinny być one przesłonięte innymi gwiazdami/mgławicami i chmurami pyłu?

[Al_Ganonim]

@semaj: Słuszne pytanie. Obserwujemy to z trudem, największymi teleskopami na świecie, w podczerwieni. Podczerwień przenika przez obłoki pyłowe.

[haussbrandt]

@Al_Ganonim: Co oznaczają przerywane i ciągłe linie na tym gifie?

[Al_Ganonim]

@haussbrandt: Na stronie www instytutu, który ten obrazek wyprodukował nie ma o tym ani słowa. Szczerze mówiąc, nie przykładałem do tego wagi. Teraz mam dwa pomysły: 1) przerywane linie to orbita szacowana, a linia ciągła powstała na bazie faktycznych obserwacji lub 2) linie przerywane są po to, żeby obrazek był czytelny.

@moreover: To teraz na maturze jest estymowanie masy centralnej czarnej dziury Drogi Mlecznej? Jestem pod wrażeniem :)

[zurie]

@Al_Ganonim: biała gwiazda na obrazku to czarna dziura? dlaczego SO-16 się od niej odbiło i poleciało spowrotem do siebie?

[Al_Ganonim]

@zurie: Tak, ta biała gwiazdka reprezentuje położenie czarnej dziury. SO-16 nie odbiło się od niej, tylko przeleciało bardzo blisko. Kiedy obiekty orbitujące jakieś masywne ciało zbliżą się do tego ciała (bo taki mają kształt orbity), to poruszają się szybciej. Oddalając się od tego masywnego ciała, obiekty będą poruszały się wolniej. To jest opisywane przez trzecie prawo Keplera. Przykład: Ziemia jest bliżej Słońca, kiedy w Polsce jest zima, a dalej od Słońca,

[zurie]

@Al_Ganonim: czyli SO-16 na tym bardziej oddalonym od czarnej dziury końcu drogi zatoczy łuk i to będzie jej cala droga? Kurcze, nie wiem czy rozumiem :)

[Al_Ganonim]

@zurie: Ten łuk będzie przedłużony tak, że gwiazda w pewnym momencie zacznie zawracać. Kształtem orbity tej gwiazdy nie jest otwarty łuk, ale elipsoida. Ruch gwiazdy wokół czarnej dziury jest cykliczny. Na animacji poniżej zobaczysz taką orbitę. Zobaczysz też, że niebieska kulka zbliżając się do orbitowanego obiektu (pomarańczowej kulki) przyspiesza. W tej animacji następuje jeszcze obrót samej orbity, który jest procesem trudniejszym do wyjaśnienia, dlatego (na potrzeby tej rozmowy) wyobraź sobie, że