Astronomia

Quasar e SMBH

Quasar e SMBH

È noto che i quasar contengono buchi neri supermassicci nei loro nuclei. Quindi questo significa che il numero di quasar è uguale a quello delle SMBH là fuori?


Significa che il numero di quasar deve essere inferiore o uguale al numero di SMBH là fuori. Si ritiene che i buchi neri supermassicci si trovino al centro della maggior parte delle galassie e che la massa SMBH sia correlata alla distribuzione della velocità delle stelle nella galassia.

Tuttavia, i quasar si formano solo in galassie particolarmente grandi e attive. O forse galassie particolarmente massicce possono formarsi solo attorno ed essere supportate da buchi neri particolarmente massicci? Indipendentemente da ciò, in base a questo, mentre ogni quasar deve possedere un buco nero supermassiccio, non tutti i buchi neri supermassicci fanno parte di un sistema che contiene un quasar.


Non proprio. I quasar hanno infatti bisogno di un SMBH per essere alimentati, e questa è una condizione necessaria.

Ma la fase Quasar dura solo da decine di milioni a pochi miliardi di anni. Ciò significa che, in un universo più recente, i Quasar sono disattivati ​​ma la galassia ospite... è ancora lì. E anche SMBH lo fa.

Questo è esattamente come il nostro caso Galaxy ($Sgr A^*$), dove le evidenze per la presenza di un SMBH sono tra le più forti, ma non è ancora presente alcuna attività nucleare.

Tuttavia, ci sono tonnellate di studi per dedurre la giusta quantità di AGN nell'intero Universo usando le funzioni di luminosità.


Ottima domanda. Il numero di quasar deve essere inferiore al numero di SMBH, poiché molte galassie, come la nostra, contengono SMBH nel loro nucleo (Sagittarius A*) e non sono classificate come quasar (cioè alcune galassie sono quiescenti per qualsiasi motivo) . I quasar rappresentano una fase attiva ultra-luminosa di accrescimento del gas sull'SMBH. Si ritiene che tali maggiori luminosità siano causate da un intenso accrescimento di gas innescato da importanti fusioni su vasta scala tra galassie.

In quanto tali, i Quasar sono eventi di breve durata e gli SMBH sopravvivono al quasar (la durata di un quasar è dell'ordine di 10 $ ^ 6 $ -10 $ ^ 9 $ anno mentre la durata di un SMBH è molto maggiore di quella di Hubble tempo). Quindi, una volta che il gas è quasi consumato da tale intenso accrescimento, il Quasar diventerà lentamente quiescente. Ecco perché molte galassie contengono SMBH nei loro nuclei, ma non sono più attive.


Il VLT rileva i quasar più distanti con potenti getti radio

I quasar o oggetti quasi stellari (QSO) sono gli oggetti astronomici estremamente luminosi che risiedono al centro di galassie lontane e sono alimentati dal gas che si muove a spirale ad altissima velocità in un buco nero supermassiccio (SMBH).

I quasar più luminosi possono persino eclissare le galassie che li ospitano.

Quando il gas nel disco si muove a spirale verso l'SMBH, l'energia viene rilasciata sotto forma di radiazione elettromagnetica, che può essere rilevata attraverso lo spettro elettromagnetico.

Ora, con l'aiuto del Very Large Telescope (VLT) dell'Osservatorio europeo meridionale (ESO), gli scienziati hanno individuato la fonte di emissioni radio più lontana fino ad oggi.

Questa fonte appena scoperta è stata fatta risalire a un quasar “radio-loud” ed è stata soprannominata P172+18. È un oggetto eccezionalmente luminoso con getti estremamente potenti che emettono a lunghezze d'onda radio.

P172+18 è così distante da noi che la sua luce ha impiegato tredici miliardi di anni per raggiungere la Terra, il che significa che gli scienziati la vedono dal momento in cui l'Universo aveva solo circa 780 milioni di anni.

Mentre gli scienziati hanno già scoperto QSO più lontani di P172+18, ma questa è la prima volta che un quasar con potenti getti radio viene identificato nell'antico Universo.

Di tutti i quasar scoperti finora, solo il dieci percento circa di loro ha getti. Gli scienziati li classificano come “radio-loud” e brillano brillantemente alle frequenze radio.

Quasar P172+18 è alimentato da un buco nero che è circa trecento milioni di volte più massiccio del nostro Sole.

Questo buco nero sta consumando la materia molto rapidamente e sta crescendo in massa a uno dei tassi più alti mai individuati.

Gli scienziati sospettano che ci sia un legame tra la rapida crescita degli SMBH e gli intensi getti radio osservati nei QSO come P172+18. Si ritiene che questi getti abbiano la capacità di disturbare la materia intorno all'SMBH e aumentare la velocità con cui cade la materia.

Pertanto, lo studio dei quasar radiofonici potrebbe aiutare a capire come i buchi neri dell'antico Universo si evolvono in SMBH così rapidamente dopo il Big Bang.

Dopo essere stato identificato come sorgente radio, P172+18 è stato riconosciuto per la prima volta come un quasar lontano dal Magellan Telescope all'Osservatorio di Las Campanas in Cile. Tuttavia, il breve tempo di osservazione non ha permesso agli scienziati di studiare l'oggetto in dettaglio.

Gli scienziati hanno quindi effettuato osservazioni più profonde e dettagliate con gli altri telescopi terrestri, tra cui il VLT dell'ESO’, il Very Large Array del National Radio Astronomy Observatory e il Keck Telescope negli Stati Uniti.

Queste osservazioni hanno permesso agli scienziati di determinare le caratteristiche chiave come la massa del buco nero e la velocità con cui consuma la materia dall'ambiente circostante.

Gli scienziati ritengono che P172+18 potrebbe essere il primo di molti di questi quasar radiofonici in attesa di essere scoperti, forse a distanze cosmologiche ancora maggiori, che sperano di localizzare con strutture come ALMA e il prossimo Extremely Large Telescope (ELT) dell'ESO.


Il pianeta nano "The Goblin" e un antico quasar ricevono nomi hawaiani

Due oggetti celesti incredibilmente strani le cui scoperte risalgono, in parte, agli osservatori del vetta del Maunakea ora portano con sé il picco nei nomi ufficiali ispirati alla cultura hawaiana.

La loro connessione con le Hawaii è tutto ciò che condividono questi due oggetti. uno è un quasar, un'enorme fonte di energia che gli scienziati ritengono derivi da un lontano buco nero: in questo caso, il quasar è nato appena 700 milioni di anni dopo il Big Bang e potrebbe contenere la massa di 1,5 miliardi di soli. L'altro oggetto è molto più vicino a noi, a pianeta nano nel nostro sistema solare che richiede 40.000 anni per completare una singola orbita del nostro sole.

"Vogliamo solo nominare le cose davvero uniche, perché ci sono letteralmente miliardi e miliardi e miliardi di cose là fuori", Ka'iu Kimura, direttore esecutivo del "Centro astronomico di Imiloa", un museo e un centro culturale con sede a Hilo, nelle Hawaii, che aiuta a gestire il programma di denominazione, ha dichiarato a Space.com a gennaio alla 235a riunione del Società Astronomica Americana.

Il programma, chiamato A Hua He Inoa, è dedicato alla ricerca di nomi hawaiani per oggetti astronomici scoperti utilizzando la dozzina di telescopi in cima a Maunakea, nel cuore dell'isola di Hawaii e un sito molto conteso. Ma il programma non si limita a sovrapporre un nome esistente a una scoperta.

Al contrario, riunisce astronomi e nativi hawaiani - studenti, insegnanti o entrambi - per creare un nome fondato sulle tradizioni ma adattato ai dettagli della scoperta e al modo in cui risuona con il modo hawaiano di essere nell'universo. "Devi sederti e spiegare ai giovani e ascoltare il loro feedback", ha detto Kimura degli scienziati che hanno preso parte. "Abbiamo anche messo esperti di lingua e cultura in quella conversazione".

Una versione precedente del programma, che si basava maggiormente su uno specifico esperto di lingua e cultura hawaiana, nominava il primo asteroide interstellare scoperto, ora chiamato 'Oumuamua, e il buco nero che gli scienziati hanno rilasciato un'immagine della scorsa primavera, chiamato Pōwehi.

Più recentemente, l'Unione Astronomica Internazionale, che sovrintende a tutti i nomi celesti, ha adottato nomi hawaiani sviluppati attraverso il programma per due asteroidi. Ora, con il quasar appena scoperto e il pianeta nano, il conteggio ha raggiunto una mezza dozzina di oggetti.

Il gruppo di insegnanti hawaiani che ha sviluppato il nuovo nome per il quasar, Pōniuāʻena, che altrimenti sarebbe stato chiamato J1007+2115, si è ispirato al nome Pōwehi che inizia con "pō". In entrambi i nomi, la sillaba rappresenta la profonda oscurità di un buco nero e deriva dal Kumulipo, un canto nativo hawaiano che racconta la storia della creazione delle isole.

Ma un quasar ha luce oltre che oscurità, che gli insegnanti hanno incorporato nel nome.

"Sono rimasti così colpiti dall'aspetto e dal movimento del quasar e da come sta emettendo tutto questo calore e luce", ha detto Kimura dei partecipanti. "Ruota così velocemente e così radiosamente che risplende brillantemente." Ecco da dove viene l'ultima parte del nome, ha detto. "Il nome, Pōniuāʻena, evoca l'invisibile sorgente rotante della creazione, circondata da splendore", un dichiarazione di 'Imiloa spiega.

La scoperta è stata fatta utilizzando i dati di tre diverse strutture in cima a Maunakea: l'Osservatorio WM Keck, l'Osservatorio Gemini internazionale e il telescopio a infrarossi del Regno Unito di proprietà dell'Università delle Hawaii.

Gli scienziati hanno scoperto per la prima volta l'altro oggetto appena nominato, nel 2015 utilizzando il telescopio giapponese Subaru sulla montagna. Prima che guadagnasse un nome ufficiale, il pianeta nano era soprannominato Il Goblin, ispirato dalle lettere TG nella sua designazione arbitraria basata sulle prime osservazioni degli scienziati.

Mentre è nel nostro sistema solare, il pianeta nano non è particolarmente vicino. Al suo punto più vicino, l'oggetto arriva a circa 65 unità astronomiche (AU) - 1 AU è la distanza media tra la Terra e il sole, circa 93 milioni di miglia o 150 milioni di chilometri nel punto più distante della sua orbita, si allontana di circa 2.300 AU lontano dal sole. Si trova al di là Plutone e traccia una lunga orbita attorno al sole, con un anno sul corpo della durata di circa 40.000 anni terrestri.

È quell'epico viaggio intorno al sole che ha ispirato il nuovo nome hawaiano per l'oggetto, Leleākūhonua, che un gruppo di studenti ha sviluppato attraverso il programma. "I bambini sono stati ispirati da questo uccello, la kolea", ha detto Kimura, riferendosi a una specie nota anche come Pacific Golden-Plover.

Il piviere trascorre le sue estati in Alaska e i suoi inverni alle Hawaii, percorrendo fino a 2.000 miglia (3.200 chilometri) in un solo volo, secondo la National Audubon Society. Per gli studenti del programma di denominazione, suonava terribilmente come il pianeta nano.

"Vengono qui solo una volta all'anno", ha detto Kimura dei pivieri. "Si nutrono e diventano un po' più paffute e poi volano indietro", proprio come il pianeta nano guadagna energia quando è più vicino al sole, prima di migrare di nuovo verso i ghiacciai del sistema solare. Il nome Leleākūhonua è stato approvato dall'Unione Astronomica Internazionale e annunciato il 3 giugno.

Per Kimura, ciascuno di questi nuovi nomi significa riconoscere la cultura e la tradizione uniche delle isole hawaiane e onorare il fatto che il contesto può influenzare la scienza fatta in un luogo del genere. Ma i nomi non le bastano, nemmeno nomi scelti con un procedimento così minuzioso.

"Per me, la vittoria sarebbe che vedremmo più studenti hawaiani entrare nella scienza, vedremmo di più e sentiremmo più parlare della nostra lingua e della nostra cultura in questi luoghi di ricerca", ha detto Kimura. "Promuoveremmo a livello globale l'unicità delle Hawaii, che è davvero la sua gente, la sua lingua, la sua cultura, e se l'astronomia può aiutare a dare alle Hawaii - e a qualsiasi comunità in cui viene praticata in tutto il mondo - quel tipo di riconoscimento, onore e promozione, penso sia una grande vittoria".

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Il rapporto di space.com afferma: "La loro connessione con le Hawaii è che tutti questi due oggetti condividono. Uno è un quasar, un'enorme fonte di energia che gli scienziati ritengono derivi da un lontano buco nero - in questo caso, il quasar è nato solo 700 milioni anni dopo il Big Bang e potrebbe contenere la massa di 1,5 miliardi di soli. L'altro oggetto è molto più vicino a noi, un pianeta nano nel nostro sistema solare che richiede 40.000 anni per completare una singola orbita del nostro sole".

Rapporto interessante. Il quasar con SMBH di 1,5 miliardi di masse solari, potrebbe avere un diametro di 59,22 UA. Secondo il rapporto, questo SMBH si è formato circa 700 milioni di anni dopo l'evento BB. Un altro rapporto è uscito questa settimana in cui un SMBH è di 34 miliardi di masse solari con quasar e redshift un po' più grandi di 4,6. Quella SMBH ha un diametro leggermente più grande di 1342 AU. La cosmologia BB ha difficoltà a spiegare l'origine degli SMBH che appaiono così presto nella storia dell'universo, poco dopo il BB. Sarebbe bello vedere un elenco completo dell'inventario di tutte le SMBH documentate come abbiamo confermato per gli esopianeti.

Il rapporto di space.com afferma: "La loro connessione con le Hawaii è che tutti questi due oggetti condividono. Uno è un quasar, un'enorme fonte di energia che gli scienziati ritengono derivi da un lontano buco nero - in questo caso, il quasar è nato solo 700 milioni anni dopo il Big Bang e potrebbe contenere la massa di 1,5 miliardi di soli. L'altro oggetto è molto più vicino a noi, un pianeta nano nel nostro sistema solare che richiede 40.000 anni per completare una singola orbita del nostro sole".

Rapporto interessante. Il quasar con SMBH di 1,5 miliardi di masse solari, potrebbe avere un diametro di 59,22 UA. Secondo il rapporto, questo SMBH si è formato circa 700 milioni di anni dopo l'evento BB. Un altro rapporto è uscito questa settimana in cui un SMBH è di 34 miliardi di masse solari con quasar e redshift un po' più grandi di 4,6. Quella SMBH ha un diametro leggermente più grande di 1342 AU. La cosmologia BB ha difficoltà a spiegare l'origine degli SMBH che appaiono così presto nella storia dell'universo, poco dopo il BB. Sarebbe bello vedere un elenco completo dell'inventario di tutte le SMBH documentate come abbiamo confermato per gli esopianeti.


Nuovo metodo per la ricerca di attività intorno a quasar e buchi neri

Sin dalla scoperta del Sagittarius A* al centro della nostra galassia, gli astronomi hanno capito che la maggior parte delle galassie massicce ha un buco nero supermassiccio (SMBH) al centro. Questi sono evidenziati dalle potenti emissioni elettromagnetiche prodotte nei nuclei di queste galassie – note come “Nuclei galattici attivi” (AGN) – che si ritiene siano causate dall'accumulo di gas e polvere sull'SMBH.

Per decenni, gli astronomi hanno studiato la luce proveniente dagli AGN per determinare quanto siano grandi e massicci i loro buchi neri. Questo è stato difficile, poiché questa luce è soggetta all'effetto Doppler, che provoca l'allargamento delle sue linee spettrali. Ma grazie a un nuovo modello sviluppato da ricercatori cinesi e statunitensi, gli astronomi potrebbero essere in grado di studiare queste Broad Line Regions (BLR) e fare stime più accurate sulla massa dei buchi neri.

Lo studio, “Cumuli polverosi distrutti dalle maree come origine di ampie righe di emissione nei nuclei galattici attivi“, è apparso di recente sulla rivista scientifica Natura. Lo studio è stato condotto da Jian-Min Wang, ricercatore dell'Istituto di fisica delle alte energie (IHEP) presso l'Accademia cinese delle scienze, con l'assistenza dell'Università del Wyoming e dell'Università di Nanchino.

Un'impressione artistica del disco di accrescimento attorno al buco nero supermassiccio che alimenta una galassia attiva. Credito: NASA/Dana Berry, SkyWorks Digital

Per abbatterlo, le SMBH sono note per avere un toroide di gas e polvere che le circonda. La gravità del buco nero accelera il gas in questo toroide a velocità di migliaia di chilometri al secondo, il che lo fa riscaldare ed emette radiazioni a diverse lunghezze d'onda. Questa energia alla fine ha eclissato l'intera galassia circostante, che è ciò che consente agli astronomi di determinare la presenza di un SMBH.

Come ha spiegato Michael Brotherton, professore UW presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia e co0autore dello studio, in un comunicato stampa UW:

“La gente pensa: ‘È un buco nero. Perché è così luminoso?' Un buco nero è ancora scuro. I dischi raggiungono temperature così elevate da emettere radiazioni attraverso lo spettro elettromagnetico, che include raggi gamma, raggi X, UV, infrarossi e onde radio. Il buco nero e il gas di accrescimento circostante di cui si nutre il buco nero sono il carburante che accende il quasar”.

Il problema con l'osservazione di queste regioni luminose deriva dal fatto che i gas al loro interno si muovono così rapidamente in direzioni diverse. Mentre il gas che si allontana (rispetto a noi) viene spostato verso l'estremità rossa dello spettro, il gas che si sposta verso di noi viene spostato verso l'estremità blu. Questo è ciò che porta a una regione a linee larghe, dove lo spettro della luce emessa diventa più simile a una spirale, rendendo difficile ottenere letture accurate.

Attualmente, la misurazione della massa degli SMBH nei nuclei galattici attivi si basa sulla “tecnica di mappatura del riverbero”. In breve, ciò comporta l'utilizzo di modelli al computer per esaminare le righe spettrali simmetriche di un BLR e misurare i ritardi temporali tra di esse. Si ritiene che queste linee derivino da gas che è stato fotoionizzato dalla forza gravitazionale dell'SMBH.

Dense nubi di polvere e gas, illustrate qui, possono oscurare le radiazioni meno energetiche provenienti dal buco nero centrale di una galassia attiva. I raggi X ad alta energia, tuttavia, passano facilmente attraverso. Credito: ESA/NASA/AVO/Paolo Padovani

Tuttavia, poiché vi è poca comprensione delle ampie linee di emissione e dei diversi componenti dei BLR, questo metodo dà luogo ad alcune incertezze comprese tra il 200 e il 300%. "Stiamo cercando di rispondere a domande più dettagliate sulle regioni spettrali a linea larga che ci aiutino a diagnosticare la massa del buco nero", ha affermato Brotherton. “La gente non sa da dove provengano queste ampie regioni della linea di emissione o la natura di questo gas”.

Al contrario, il team guidato dal Dr. Wang ha adottato un nuovo tipo di modello computerizzato che considerava la dinamica del toroide gassoso che circonda un SMBH. Questo toroide, presumono, sarebbe costituito da gruppi discreti di materia che verrebbero disgregati dal buco nero, provocando il flusso di gas al suo interno (ovvero l'accumulo su di esso) e alcuni che vengono espulsi come deflusso.

Da ciò, hanno scoperto che le linee di emissione in un BLR sono soggette a tre caratteristiche – “asimmetria”, “forma” e “spostamento”. Dopo aver esaminato varie linee di emissione – sia simmetriche che asimmetriche – hanno scoperto che queste tre caratteristiche dipendevano fortemente dalla luminosità dei gruppi di gas, che interpretavano come il risultato dell'angolo del loro movimento all'interno del toroide. O come ha detto il dottor Brotherton:

“Quello che proponiamo che accada è che questi grumi polverosi si stanno muovendo. Alcuni si scontrano, si fondono e cambiano velocità. Forse si trasferiscono nel quasar, dove vive il buco nero. Alcuni dei ciuffi ruotano dalla regione a linea larga. Alcuni vengono cacciati".

Alla fine, il loro nuovo modello suggerisce che gli ammassi di materia disgregati dalle maree provenienti da un buco nero possono rappresentare la fonte del gas BLR. Rispetto ai modelli precedenti, quello ideato dal Dr. Wang e dai suoi colleghi stabilisce una connessione tra diversi processi e componenti chiave nelle vicinanze di una SMBH. Questi includono l'alimentazione del buco nero, la fonte di gas fotoionizzato e lo stesso toroide polveroso.

Sebbene questa ricerca non risolva tutti i misteri che circondano gli AGN, è un passo importante verso l'ottenimento di stime di massa accurate degli SMBH in base alle loro righe spettrali. Da questi, gli astronomi potrebbero essere in grado di determinare con maggiore precisione quale ruolo hanno giocato questi buchi neri nell'evoluzione delle grandi galassie.

Lo studio è stato reso possibile grazie al supporto fornito dal National Key Program for Science and Technology Research and Development e dal Key Research Program of Frontier Sciences, entrambi amministrati dall'Accademia cinese delle scienze.


Mi hanno chiesto cosa fosse un quasar. Cerco di essere educativo e divertente.

Quindi un quasar è al centro di ogni galassia? Pensavo che i buchi neri supermassicci fossero al centro di ogni galassia? Un quasar contiene un buco nero?

Per dare una descrizione un po' più utile: i quasar, quando originariamente osservati, erano oggetti con spettri di emissione davvero strani che nessuno poteva spiegare. Alla fine, si è scoperto che se si presumeva che avessero un enorme redshift, gli spettri avevano senso - ma ciò significava che dovevano essere estremamente lontani - e con la quantità di segnale che stavano emettendo, ciò significa che devono essere incredibilmente luminosi .

La mia comprensione è che la teoria attuale è che sono, fondamentalmente, buchi neri supermassicci che fanno cose incredibilmente violente a tutto nelle loro immediate vicinanze. Quindi non solo un normale centro galattico, ma uno con molta materia vicino che viene fatta a pezzi, trasformata in un disco di accrescimento, surriscaldata, ecc.

Un quasar è fondamentalmente un buco nero supermassiccio che si nutre, se non c'è molta spirale dentro puoi rilevarli solo guardando le orbite strette delle stelle vicine, se un buco nero supermassiccio ha molta materia che cade dentro come una stella per esempio viene fatto a pezzi e orbita sempre più velocemente in orbite sempre più piccole e questo provoca attrito e altri effetti di riscaldamento fino a quando la materia è così calda che emette raggi gamma e X incredibilmente intensi, sono anche per lo più molto molto lontani quindi quelli I raggi X sono spostati verso il rosso alla luce visibile e ci sembrano stelle fino a quando non esegui l'analisi spettrale.

Stavo leggendo di recente su questo, e c'era un'ipotesi che i quasar fossero un fenomeno dell'universo primordiale: una fase attraverso la quale passano le prime galassie, che poi si stabilizzano per diventare galassie più simili alle nostre. I quasar che possiamo osservare oggi sono estremamente lontano e quindi antichissimo. Rappresentano il lontano passato.

La Via Lattea avrebbe potuto essere un quasar, e forse a una distanza di dieci miliardi di anni luce, lo è ancora.

I quasar si trovano solo nei nuclei galattici attivi, o AGN, tutte le galassie contengono un buco nero, ma non tutti i buchi neri stanno distruggendo attivamente la materia luminosa, quindi non tutti sono attivi.

Studio AGN professionalmente. Qualche mese fa stavo parlando con un collega che lavora alla simulazione Illustrious e ha menzionato un'importante distinzione: "AGN" è una selezione osservativa, i buchi neri supermassicci sono gli oggetti fisici reali. Quando diciamo che qualcosa è un AGN intendiamo che è un oggetto che è stato selezionato da un taglio di colore o da un profilo spettroscopico. I quasar sono i mostri AGN che hanno un'elevata luminosità e generalmente eclissano completamente la loro galassia ospite.

La maggior parte delle grandi galassie (non tutte!) ha un buco nero super massiccio al centro. Se questo buco nero ha un disco di accrescimento brillante, è un nucleo galattico attivo. Se ha 27 anni molto brillante disco di accrescimento, è un quasar. Di solito un quasar viene attivato quando le galassie si fondono, agitando il gas in modo che cada al centro e alimenti il ​​disco di accrescimento. Quando questo gas in più si esaurisce, torna ad essere un AGN. Una volta che la maggior parte del resto si esaurisce, diventa una galassia passiva.

Si ritiene che i buchi neri supermassicci siano al centro di tutte le galassie, tuttavia una galassia ospita solo un quasar Se quel buco nero supermassiccio sta accumulando materiale (principalmente gas) e mentre cade verso il buco nero rilascia energia. Quindi, l'attuale consenso scientifico è che ci sia un motore quasar (un buco nero supermassiccio) al centro di una galassia, ma potrebbe o meno crescere. Ad esempio, la Via Lattea ha un SMBH confermato, ma non sta crescendo.

Fatto interessante, i quasar più luminosi esistono solo in epoche precedenti nell'universo, non esistono oggi, e questo perché stiamo vedendo queste cose da così lontano. Quando guardi un quasar, stai guardando un universo precedente. Detto questo, la Via Lattea era probabilmente un quasar (o per lo meno, il suo SMBH si stava accrescendo) all'inizio della sua vita. Alcuni pensano che quando la Via Lattea subirà un'altra importante fusione, come con la galassia di Andromeda, l'SMBH otterrà il carburante per riaccendersi, ma quando ciò accadrà saremo lontani da tempo.


Tango di buchi neri supermassicci in un quasar distante

Al centro di quasi tutte le galassie vive un buco nero supermassiccio (SMBH), cioè un BH con massa da un milione a un miliardo di volte la massa del nostro Sole. Nel corso della storia dell'universo, le galassie si scontrano tra loro e formano nuove galassie più grandi. Naturalmente, la galassia appena formata conterrà due SMBH al centro, orbitanti l'uno intorno all'altro, ovvero si forma un Supermassive Black Hole Binary (SMBHB).

Tali sistemi dovrebbero essere abbastanza comuni nei nuclei galattici a causa di frequenti fusioni di galassie. Tuttavia, li osserviamo raramente e c'è una buona ragione per questo. Gli SMBHB possono trascorrere una grande frazione della loro vita (circa dieci milioni di anni) in prossimità molto ravvicinata, con una separazione orbitale inferiore a 1 pc (il parsec è una tipica unità di distanza in astronomia, equivalente a 3,26 anni luce). Attualmente, i nostri telescopi non hanno la risoluzione per rilevare i singoli BH.

Nonostante questa limitazione, possiamo dedurre l'esistenza di un SMBHB identificando gli effetti di un binario nel suo ambiente. Uno di questi metodi (indiretti) consiste nel rilevare i cambiamenti periodici nella luminosità/variabilità dei quasar. Questo metodo si basa su due presupposti: (1) si pensa che i quasar siano innescati da fusioni di galassie, quindi possono ospitare SMBHB e (2) quando simuliamo SMBHB circondati da gas (che si trova in un disco “circumbinary”), come i BH orbitano l'uno intorno all'altro, perturbano periodicamente il disco. Ciò porta a periodiche cadute di gas sui BH, che possono essere tradotte in cambiamenti periodici nella luminosità del binario (ad esempio, vedere D’ Orazio et al. 2013).

PG1302-102 è stata la prima scoperta di un quasar con variabilità periodica (oltre 100 di tali scoperte sono seguite nell'ultimo anno). Ha un periodo di 5,2 anni e una massa di

10^9 masse solari. Se la periodicità osservata è il periodo orbitale del binario, con la semplice fisica newtoniana, possiamo calcolare che i BH sono separati di 0,01 pc.

Boost relativistico Doppler

Gli autori di questo articolo hanno fornito una spiegazione interessante per la periodicità di questo quasar. Hanno suggerito che questo binario non deve essere alimentato periodicamente. In effetti, l'accrescimento periodico di gas porterebbe probabilmente a una curva di luce periodica “bursty”, mentre quella osservata in PG1302-102 è liscia e sinusoidale.

Gli autori hanno calcolato (sempre con la semplice fisica newtoniana) che i BH dovrebbero orbitare con velocità

5% la velocità della luce. Quando gli oggetti si muovono con velocità relativistiche, la relatività speciale può causare effetti interessanti. Ad esempio, la luminosità della sorgente più luminosa (tipicamente il BH meno massiccio in un binario) apparirà più brillante quando si muove verso di noi e più fioca quando si allontana da noi, anche se la luminosità è costante al resto -frame dei BHs (boost Doppler relativistico). Se l'emissione ottica deriva dal gas legato a ciascun BH, e il quasar ospita un binario di massa disuguale (ad esempio, se il BH più leggero ha massa

5% quello di quello più massiccio), allora l'effetto Doppler dovrebbe dominare la luminosità osservata. Gli autori hanno suggerito che il potenziamento Doppler può spiegare la periodicità ottica e sono stati in grado di adattare con successo i dati osservati al modello Doppler. La Figura 1 mostra la curva di luce di PG1302-102, con punti grigi corrispondenti alle osservazioni ottiche, mentre la curva solida nera mostra il modello Doppler best-fit.

L'effetto Doppler sarà anche impresso nella variabilità della sorgente in altre lunghezze d'onda, ad esempio nell'ultravioletto (UV). Proprio come nelle frequenze ottiche, anche l'emissione UV deriva dal gas legato ai BH. Secondo il modello, la curva della luce UV dovrebbe seguire l'ottica, ma con un'ampiezza da due a tre volte maggiore di quella della curva della luce ottica. Le ampiezze relative sono definite dal rapporto delle pendenze spettrali nelle diverse bande. Gli autori hanno ipotizzato che il continuum ottico e UV degli spettri possa essere approssimato da una semplice legge di potenza e hanno misurato la pendenza UV dagli spettri presi dal telescopio spaziale Hubble (HST) e la pendenza ottica da uno spettro storico preso negli anni '90, che è stato presentato nel documento di scoperta. Diverse osservazioni fotometriche sono disponibili da HST e Galaxy Evolution Explorer (GALEX) e sono state in grado di confermare che la curva della luce UV corrisponde alla previsione del modello Doppler boost. Le osservazioni Near-UV e Far-UV sono mostrate nella Figura 1 con punti rossi e blu, rispettivamente, insieme alle curve Doppler best-fit, con ampiezze 2,17 e 2,57 volte l'ampiezza ottica. Gli autori hanno notato che poiché la curva della luce UV è alquanto scarsa, sono necessarie ulteriori osservazioni di follow-up per testare in modo robusto il modello Doppler.

Figura 1: Curva di luce ottica e UV di PG1302-102. Le osservazioni ottiche sono mostrate con il grigio, il vicino-UV con il rosso e il lontano-UV con i punti blu. La curva nera piena, la curva rossa punteggiata e la curva blu punteggiata mostrano le curve Doppler più adatte rispettivamente in ottica, UV vicino e UV lontano. Figura 2 nel documento.

Sommario

SMBHB compatti (sub-parsec), che dovrebbero essere forti sorgenti di radiazione gravitazionale, dovrebbero formarsi frequentemente in seguito a fusioni galattiche. Nonostante la loro prevista ubiquità, le prove osservative per tali fonti rimangono scarse. Recentemente, un quasar periodico è stato identificato e interpretato come un candidato SMBHB. Questo articolo ha trovato prove dell'aumento Doppler relativistico dall'analisi delle curve di luce ottica e UV del quasar. Questo effetto è causato dal movimento orbitale dei BH in un SMBHB e generalmente non è previsto se il quasar ospita un singolo SMBH. Pertanto, fornisce una forte evidenza della natura binaria del quasar.


Risultati scientifici

Un team di astronomi ha scoperto 83 quasar alimentati da buchi neri supermassicci (SMBH) nell'universo distante, da un'epoca in cui l'universo era inferiore al 10% della sua età attuale. Questa scoperta è stata fatta utilizzando la telecamera a campo ampio Hyper Suprime-Cam (HSC) montata sul telescopio Subaru. La scoperta aumenta considerevolmente il numero di buchi neri conosciuti in quell'epoca e rivela, per la prima volta, quanto siano comuni gli SMBH all'inizio della storia dell'universo. Inoltre, fornisce nuove informazioni sull'effetto dei buchi neri sullo stato fisico del gas nell'universo primordiale nei suoi primi miliardi di anni. La Figura 1 mostra un esempio di SMBH scoperto.

Figura 1: Luce proveniente da uno dei quasar più distanti conosciuti, alimentata da un SMBH che si trova a 13,05 miliardi di anni luce dalla Terra. L'immagine è stata ottenuta dalla Hyper Suprime-Cam (HSC) montata sul telescopio Subaru. Gli altri oggetti nel campo sono principalmente stelle nella nostra Via Lattea e galassie viste lungo la linea di vista. (Credito: NAOJ)

I buchi neri supermassicci si trovano al centro delle galassie e hanno masse milioni o addirittura miliardi di volte quella del Sole. Sebbene siano prevalenti nell'universo attuale, non è chiaro quando si siano formati per la prima volta e quanti di essi esistano nel lontano universo primordiale. While distant SMBHs are identified as quasars, which shine as gas accretes onto them (see Figure 2 for an artist impression), previous studies have been sensitive only to the very rare most luminous quasars, and thus the most massive black holes. The new discoveries probe the population of SMBH with masses characteristic of the most common black holes seen in the present-day universe, and thus shed light on their origin.

Figure 2: An artist impression of a quasar. A SMBH sits at the center, and the gravitational energy of material accreting onto the SMBH is released as light. (Credit: Yoshiki Matsuoka)

The research team led by Yoshiki Matsuoka (Ehime University) used data taken with a cutting-edge instrument, Hyper Suprime-Cam (HSC), mounted on the Subaru Telescope of the National Astronomical Observatory of Japan, on the summit of Maunakea in Hawai’i. HSC is particularly powerful in that it has a gigantic field-of-view of 1.77 deg2 (seven times the area of the Full Moon), mounted on one of the largest telescopes in the world. The HSC team is carrying a survey of the sky using 300 nights of telescope time, spread over five years. The team selected distant quasar candidates from the sensitive HSC survey. They then carried out an intensive observational campaign to obtain spectra of those candidates, using the Subaru Telescope, the Gran Telescopio Canarias, and the Gemini telescope. The survey has revealed 83 previously unknown very distant quasars together with the 17 quasars already known in the survey region, Matsuoka and collaborators found that there is roughly one supermassive black hole in each cube a billion light years on a side. Figure 3 shows images of the 100 quasars identified from the HSC data.

Figure 3: The 100 quasars identified from the HSC data. The top seven rows represent the 83 new discoveries, while the bottom two rows represent 17 previously known quasars in the survey area. They appear extremely red due to the cosmic expansion and absorption of light in intergalactic space. All the images were obtained by HSC. (Credit: NAOJ)

The discovered quasars are about 13 billion light-years away from the Earth in other words, we are seeing them as they existed 13 billion years ago. The time elapsed since the Big Bang to that cosmic epoch is only 5 per cent of the present cosmic age (13.8 billion years), and it is remarkable that such massive dense objects were able to form so soon after the Big Bang. The most distant quasar discovered by the team is 13.05 billion light-years away, which is tied for the second most distant SMBH ever discovered.

It is widely accepted that the hydrogen in the universe was once neutral, but was “reionized” (i.e., split into its component protons and electrons) around the epoch when the first generation of stars, galaxies, and SMBHs were born, in the first few hundred million years after the Big Bang. This is a milestone of cosmic history, but it is still not clear what provided the incredible amount of energy required to cause the reionization. A compelling hypothesis suggests that there were many more quasars in the early universe than detected previously, and it is their integrated radiation that reionized the universe. However, the number density measured by the HSC team clearly indicates that this is not the case the number of quasars seen is significantly less than needed to explain the reionization. Reionization was therefore caused by another energy source, most likely numerous galaxies that started to form in the young universe.

The present study was made possible by the world-leading survey ability of Subaru and HSC. The intensive follow-up observations by the Subaru Telescope, Gran Telescopio Canarias, and the Gemini telescope were another key to success. “The quasars we discovered will be an interesting subject for further follow-up observations with current and future facilities.”, said Matsuoka. “We will also learn about the formation and early evolution of SMBHs, by comparing the measured number density and luminosity distribution with predictions from theoretical models.” Based on the results achieved so far, the team is looking ahead to search for yet more distant SMBHs, and to reveal the epoch when the first SMBH appeared in the universe.

The research team consists of 48 astronomers around the world. Matsuoka led the team, while Nobunari Kashikawa (The University of Tokyo), Michael Strauss (Princeton University), Masafusa Onoue (Max Planck Institute for Astronomy), Kazushi Iwasawa (Universitat de Barcelona), and Tomotsugu Goto (National Tsing Hua University) have played key roles in the individual steps of the project. The results of the project are presented in the following five papers (paper [2] in particular).

[1] “Discovery of the First Low-luminosity Quasar at z > 7”, Matsuoka et al., The Astrophysical Journal Letters, 872 (2019), 2
[2] “Subaru High-z Exploration of Low-luminosity Quasars (SHELLQs). V. Quasar Luminosity Function and Contribution to Cosmic Reionization at z = 6”, Matsuoka et al. 2018, The Astrophysical Journal, 869 (2018), 150
[3] “Subaru High-z Exploration of Low-luminosity Quasars (SHELLQs). IV. Discovery of 41 Quasars and Luminous Galaxies at 5.7 ≤ z ≤ 6.9”, Matsuoka et al., The Astrophysical Journal Supplement Series, 237 (2018), 5
[4] “Subaru High-z Exploration of Low-Luminosity Quasars (SHELLQs). II. Discovery of 32 quasars and luminous galaxies at 5.7


Scientists discover the oldest supermassive black hole, and it's too big

Scientists can't explain how the black hole reached this size.

After the universe was created, it took a few million years for the first light to shine across the cosmos. The first stars began forming, and so did ancient galaxies. As the gas and dust at the center of these galaxies began to spiral around their supermassive black holes, they formed the brightest objects in all of the universe — quasars.

Quasars give us a peek into what the universe looked like during its infancy, and scientists are able to look back at these cosmic beasts through telescopic time travel.

A team of researchers recently announced the discovery of the most distant quasar ever observed, dating back to 670 million years after the Big Bang. The quasar was accompanied by the oldest black hole ever observed. But this black hole's extreme age isn't its only notable feature — it is absolutely (super)massive. And scientists also can't explain how it reached its extreme size.

The discovery was announced on Tuesday during the 237th Meeting of the American Astronomical Society, and is detailed in a study accepted for publication in the Astrophysical Journal Letters.

HERE'S THE BACKGROUND — Quasars were discovered in the 1960's. Their name is derived from them being 'quasi-stellar objects,' as a single quasar emits the same amount of light as a trillion stars, all the while occupying an area of space that is smaller than our Solar System.

Scientists believe quasars form when galaxies have an abundant amount of gas and dust surrounding the black holes at their center, which eventually spiral around and form an accretion disc of superheated material that swirls around.

Due to their high energy, quasars often outshine the galaxies that host them.

What's new — Scientists hunt for these ancient beasts as they inform them of the conditions of the early universe, and how galaxies formed and evolved over time. Additionally, quasars can also help scientists better understand the relationship between galaxies and the black holes at their center.

A team of scientists from the University of Arizona was able to detect the most distant quasar ever observed, located 13.03 billion light years away from Earth. This means the quasar existed when the universe was a mere 670 million years old — only five percent of its current age (astronomers believe the universe is 13.8 billion years old).

The quasar, dubbed J0313-1806, is more than ten trillion times as bright as the Sun, and has about one thousand times more energy than the entire Milky Way.

The quasar hosts a supermassive black hole at its center, with the mass of 1.6 billion Suns. Compared to the supermassive black hole at the center of the Milky Way, which is 13.67 milioni times the mass of the Sun, that's a pretty big boy.

The recent observations also show that the quasar has a stream of super-heated gas flowing out in the form of high-velocity wind from the surroundings of the black hole at a fifth of the speed of light, according to the study.

Here's what we don't know — Scientists are confused by how this supermassive black hole was able to form and grow to such size so early in the universe. In other words, how did it have time to gobble up so much surrounding material in order to reach its massive size?

“Black holes created by the very first massive stars could not have grown this large in only a few hundred million years,” Feige Wang, NASA Hubble fellow at the University of Arizona and lead author of the new paper, said in a statement.

Scientists believe black holes form in the aftermath of the death of a massive star, an explosive supernova, or by feeding off of the first generation of stars that form inside a galaxy. They then continue to grow over time by swallowing material that surrounds them.

The team behind the new study calculated that if the black hole had formed as early as 100 million years after the Big Bang and grew as fast as possible, it would still be around 10,000 solar masses and not the whopping 1.6 billion that it currently boasts.

"This tells you that no matter what you do, the seed of this black hole must have formed by a different mechanism," Xiaohui Fan, associate head of the University of Arizona's department of astronomy, and co-author of the study, said in a statement.

"In this case, one that involves vast quantities of primordial, cold hydrogen gas directly collapsing into a seed black hole."

In addition to being too big for its own good, the black hole is also ingesting the mass equivalent of 25 Suns each year. Scientists believe that supermassive black holes of this size in the early universe are the main reason why ancient galaxies stopped forming stars, with their black holes gobbling up all the gas and other material necessary to birth baby stars.

WHAT'S NEXT — The rather turbulent relationship between black holes and their host galaxies in the early universe gives scientists a rare opportunity to study how galaxies formed and evolved over time, and the effects of their supermassive black holes on their growth.

The researchers are hoping to conduct further observations of this quasar, as well as find more of these quasars in the early universe, following the launch of NASA's James Webb Telescope, currently slated for October 31, 2021.


Eighty-Three Quasars Spotted in Early Universe

An artist’s impression of a quasar. Image credit: Yoshiki Matsuoka.

Supermassive black holes are some of the most powerful objects in the Universe and are found in the centers of galaxies. They can be millions or even billions of times more massive than the Sun. While they are prevalent today, it is unclear when they first formed, and how many existed in the distant early Universe.

A supermassive black hole becomes visible when gas accretes onto it, causing it to shine as a quasar.

Previous studies have been sensitive only to the very rare, most luminous quasars, and thus the most massive black holes.

“The quasars we discovered will be an interesting subject for further follow-up observations with current and future facilities,” said Dr. Yoshiki Matsuoka, an astronomer at Ehime University, Japan.

“We will also learn about the formation and early evolution of supermassive black holes, by comparing the measured number density and luminosity distribution with predictions from theoretical models.”

“It is remarkable that such massive dense objects were able to form so soon after the Big Bang,” said Princeton University’s Professor Michael Strauss.

“Understanding how black holes can form in the early Universe, and just how common they are, is a challenge for our cosmological models.”

The 100 quasars identified from the Hyper Suprime-Cam data: the top seven rows show the 83 newly discovered quasars while the bottom two rows represent 17 previously known quasars in the survey area they appear extremely red due to the cosmic expansion and absorption of light in intergalactic space. Image credit: National Astronomical Observatory of Japan.

Dr. Matsuoka, Professor Strauss and their colleagues used data taken with the Hyper Suprime-Cam (HSC) instrument on the Subaru Telescope of the National Astronomical Observatory of Japan, which is located on the summit of Maunakea in Hawaii.

The astronomers selected distant quasar candidates from the sensitive HSC survey data.

They then carried out an intensive observational campaign to obtain spectra of those candidates, using three telescopes: the Subaru Telescope the Gran Telescopio Canarias on the island of La Palma in the Canaries, Spain and the Gemini South Telescope in Chile.

The survey revealed 83 previously unknown very distant quasars. The most distant quasar discovered by the team, HSC J124353.93+010038.5, is 13.05 billion light-years away, which is tied for the second most distant supermassive black hole ever discovered.

Together with 17 quasars already known in the survey region, the team found that there is roughly one supermassive black hole per cubic giga-light-year — in other words, if you chunked the Universe into imaginary cubes that are a billion light-years on a side, each would hold one supermassive black hole.

“It is widely accepted that the hydrogen in the Universe was once neutral, but was reionized — split into its component protons and electrons — around the time when the first generation of stars, galaxies and supermassive black holes were born, in the first few hundred million years after the Big Bang,” the researchers said.

“This is a milestone of cosmic history, but we still don’t know what provided the incredible amount of energy required to cause the reionization.”

A compelling hypothesis suggests that there were many more quasars in the early Universe than detected previously, and it is their integrated radiation that reionized the Universe.

“However, the number of quasars we observed shows that this is not the case,” said Dr. Robert Lupton, an astronomer at Princeton University Observatory.

“The number of quasars seen is significantly less than needed to explain the reionization.”

“Reionization was therefore caused by another energy source, most likely numerous galaxies that started to form in the young Universe.”

Yoshiki Matsuoka et al. 2019. Discovery of the First Low-luminosity Quasar at z > 7. ApJL 872, L2 doi: 10.3847/2041-8213/ab0216

Yoshiki Matsuoka et al. 2016. Subaru High-z Exploration of Low-luminosity Quasars (SHELLQs). I. Discovery of 15 Quasars and Bright Galaxies at 5.7 < z < 6.9. ApJ 828, 26 doi: 10.3847/0004-637X/828/1/26

Yoshiki Matsuoka et al. 2018. Subaru High-z Exploration of Low-Luminosity Quasars (SHELLQs). II. Discovery of 32 quasars and luminous galaxies at 5.7 < z ≤ 6.8. Publications of the Astronomical Society of Japan 70 (SP1): S35 doi: 10.1093/pasj/psx046

Yoshiki Matsuoka et al. 2018. Subaru High-z Exploration of Low-luminosity Quasars (SHELLQs). IV. Discovery of 41 Quasars and Luminous Galaxies at 5.7 ≤ z ≤ 6.9. ApJS 237, 5 doi: 10.3847/1538-4365/aac724

Yoshiki Matsuoka et al. 2018. Subaru High-z Exploration of Low-luminosity Quasars (SHELLQs). V. Quasar Luminosity Function and Contribution to Cosmic Reionization at z = 6. ApJ 869, 150 doi: 10.3847/1538-4357/aaee7a


Event

Supermassive black hole (SMBH) binaries are inevitably produced during galaxy formation, but observational evidence for them remains elusive. I will discuss the coupled dynamics of a SMBH binary with a circumbinary gas disk, and the expected characteristics of electromagnetic (EM) emission from such a system. In particular, the emission is likely time-variable, and contain unique spectral signatures, which should aid in the identification of SMBH binaries. We have performed hydrodynamical simulations and found that binaries can be fueled efficiently, and that the accretion rates onto the BHs have quasi-periodic modulations. The periodicity pattern depends on the mass ratio, and the strong periodic emission persists all the way to the merger. This may be used to identify unique counterparts of gravitational wave sources expected to be detected by Pulsar Timing Arrays and by LISA, and to discover wider binary SMBHs in time-domain EM surveys. We have identified a handful of quasars with periodic
optical variability on the timescale of O(year). I will comment on the interpretation of these quasars as SMBH binary candidates, and on the possibility of seeing an analogous "X-ray chirp" during the late-stage inspiral a LISA binary.


Guarda il video: A multiwavelength look into the common evolution of luminous quasars and their host-galaxies (Gennaio 2022).