Meddelande

Mätning av ett svart håls massa demonstrerar potentialen i GRAVITY+

29 januari 2024

Astronomer har för första gången gjort en direkt mätning av massan av ett extremt avlägset svart hål, beläget så långt bort att det har tagit ljuset 11 miljarder år att nå oss. Forskargruppen, under ledning av Taro Shimizu vid Max Planckinstitutet för extraterrest fysik i Tyskland fann att det svarta hålet, kallat J0920, har en massa 320 miljoner gånger större än solens. Denna märning, som beskrivs i en artikel som publiceras i dag i Nature, har möjliggjorts tack vare GRAVITY+ som är en serie pågående uppgraderingar av ESO:s Very Large Telescope Interferometer (VLTI) och dess GRAVITY-instrument.

För att direkt mäta massan hos ett svart hål använder astronomer teleskop för att mäta hur gas och stjärnor rör sig runt det. Ju snabbare rörelsen är, desto mer massa finns inom materialets omloppsbana. Denna teknik har använts för att mäta massan hos närbelägna svarta hål, inklusive det i Vintergatans centrum. På mycket stora avstånd är dock denna rörelse extremt svår att observera. Det betyder att liknande direkta mätningar av massan av avlägsna svarta hål, som ger en inblick i den tidpunkt universums historia när galaxer och svarta hål hastigt växte till, inte har varit möjliga förrän nu.

Den direkta mätningen av J0920:s massa kunde göras möjlig endast efter den första serien av uppgraderingar av GRAVITY+. Dessa uppgraderingar har gjort det möjligt för astronomer att observera den svaga, avlägsna gasen runt det svarta hålet med större noggrannhet än någonsin tidigare tack vare en teknik inom interferometrin där interensfransar kan följas i ett stort fält utanför optiska axeln (engelska wide-field, off-axis fringe tracking). Att mäta massan hos J0920 exakt är ett första steg för att förstå hur svarta hål och galaxer smälte samman vid en tidpunkt då universum bara var ett par miljarder år gammalt och galaxer fortfarande bildades. Den nya massmätningen visar att det svarta hålet i J0920 innehåller ungefär fyra gånger mindre massa än förväntat i relation till värdgalaxens massa. Detta indikerar att tillväxten av det svarta hålet har fördröjts i förhållande till utvecklingen av den omgivande galaxen.

GRAVITY+ använder interferometri för att kombinera ljuset från de fyra 8 meter stora huvudteleskopen (UT 1–4) som ingår i VLTI. När GRAVITY+ är klar kommer det att utnyttja uppgraderad adaptiv optik som bättre korrigerar den oskärpa som orsakas av jordens atmosfär vilket förbättra kontrasten i observationerna. I GRAVITY+ kommer också en ny laserguidestjärna på vart och ett av UT1–3 att implementeras. GRAVITY+ kommer också att utnyttja en av de lasrar som för närvarande är installerade på UT4 för att observera svagare och mer avlägsna objekt än vad som är möjligt i dag.

Uppgraderingarna av GRAVITY+ implementeras stegvis för att säkerställa att störningarna i VLTI:s vetenskapliga verksamhet minimeras. Det gör det också möjligt för astronomer att kontinuerligt utvärdera prestandan hos GRAVITY+ när dess förbättringar stegvis tas i bruk. samtliga uppgraderingar förväntas vara genomförda 2025. De nya funktionerna kommer att vara tillgängliga för alla nuvarande och framtida VLTI-instrument för de forskare som använder dem.

Mer information

Forskningsresultaten presenteras i artikeln “A dynamical measurement of the supermassive black hole mass in a quasar 11 billion years ago” tidskriften Nature. Forskarlaget utgörs av R. Abuter (European Southern Observatory, Garching, Tyskland [ESO]), F. Allouche (Université Côte d’Azur, Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, Laboratoire Lagrange, Frankrike [Lagrange]), A. Amorim (Universidade de Lisboa - Faculdade de Ciências, Portugal and Centro de Astrofísica e Gravitação, IST, Universidade de Lisboa, Portugal [CENTRA]), C. Bailet (Lagrange), A. Berdeu (Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université de Paris, Frankrike [LESIA]), J. P. Berger (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Frankrike [UGA]), P. Berio (Lagrange), A. Bigioli (Institute of Astronomy, KU Leuven, Belgien [KU Leuven]), O. Boebion (Lagrange), M.-L. Bolzer (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Tyskland [MPE], Department of Physics, Technical University Munich, Tyskland [TUM] and Univ. Lyon, ENS de Lyon, CNRS, Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, Frankrike [CRAL]), H. Bonnet (ESO), G. Bourdarot (MPE), P. Bourget (European Southern Observatory, Chile [ESO Chile]), W. Brandner (Max Planck Institute for Astronomy, Tyskland [MPIA]), Y. Cao (MPE), R. Conzelman (ESO), M. Comin (ESO), Y. Clénet (LESIA), B. Courtney-Barrer (ESO Chile and Research School of Astronomy and Astrophysics, College of Science, Australian National University, Australien [ANU]), R. Davies (MPE), D. Defrère (KU Leuven), A. Delboulbé (UGA), F. Delplancke-Ströbele (ESO), R. Dembet (LESIA), J. Dexter (Department of Astrophysical & Planetary Sciences, JILA, University of Colorado, USA), P. T. de Zeeuw (Leiden University, Nederländerna), A. Drescher (MPE), A. Eckart (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Tyskland [MPIfR] and 1st Institute of Physics, University of Cologne, Tyskland [Cologne]), C. Édouard (LESIA), F. Eisenhauer (MPE), M. Fabricius (MPE), H. Feuchtgruber (MPE), G. Finger (MPE), N. M. Förster Schreiber (MPE), P. Garcia (Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Portugal [FEUP] and CENTRA), R. Garcia Lopez (School of Physics, University College Dublin, Irland), F. Gao (MPIfR), E. Gendron (LESIA), R. Genzel (MPE and Departments of Physics and Astronomy, University of California, USA), J.P. Gil (ESO Chile), S. Gillessen (MPE), T. Gomes (CENTRA and FEUP), F. Gonté (ESO), C. Gouvret (Lagrange), P. Guajardo (ESO Chile), S. Guieu (IPAG), W. Hackenberg (ESO), N. Haddad (ESO Chile), M. Hartl (MPE), X. Haubois (ESO Chile), F. Haußmann (MPE), G. Heißel (LESIA and Advanced Concepts Team, European Space Agency, TEC-SF, ESTEC, Nederländerna), T. Henning (MPIA), S. Hippler (MPIA), S.F. Hönig (School of Physics & Astronomy, University of Southampton, Storbritannien [Southampton]), M. Horrobin (Cologne), N. Hubin (ESO), E. Jacqmart (Lagrange), L. Jocou (IPAG), A. Kaufer (ESO Chile), P. Kervella (LESIA), J. Kolb (ESO), H. Korhonen (ESO Chile), S. Lacour (ESO and LESIA), S. Lagarde (Lagrange), O. Lai (Lagrange), V. Lapeyrère (LESIA), R. Laugier (KU Leuven), J.-B. Le Bouquin (IPAG), J. Leftley (Lagrange), P. Léna (LESIA), S. Lewis (ESO), D. Liu (MPE), B. Lopez (Lagrange), D. Lutz (MPE), Y. Magnard (IPAG), F. Mang (MPE and TUM), A. Marcotto (Lagrange), D. Maurel (IPAG), A. Mérand (ESO), F. Millour (Lagrange), N. More (MPE), H. Netzer (School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University, Israel [TAU]), H. Nowacki (IPAG), M. Nowak (Institute of Astronomy, University of Cambridge, Storbritannien), S. Oberti (ESO), T. Ott (MPE), L. Pallanca (ESO Chile), T. Paumard (LESIA), K. Perraut (IPAG), G. Perrin (LESIA), R. Petrov (Lagrange), O. Pfuhl (ESO), N. Pourré (IPAG), S. Rabien (MPE), C. Rau (MPE), M. Riquelme (ESO), S. Robbe-Dubois (Lagrange), S. Rochat (IPAG), M. Salman (KU Leuven), J. Sanchez-Bermudez (Instituto de Astronomía, Universidad Nacional Autónoma de México, Mexico and MPIA), D.J.D. Santos (MPE), S. Scheithauer (MPIA), M. Schöller (ESO), J. Schubert (MPE), N. Schuhler (ESO Chile), J. Shangguan (MPE), P. Shchekaturov (ESO), T.T. Shimizu (MPE), A. Sevin (LESIA), F. Soulez (CRAL), A. Spang (Lagrange), E. Stadler (IPAG), A. Sternberg (TAU and Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute, USA), C. Straubmeier (Cologne), E. Sturm (MPE), C. Sykes (Southampton), L.J. Tacconi (MPE), K.R.W. Tristram (ESO Chile), F. Vincent (LESIA), S. von Fellenberg (MPIfR), S. Uysal (MPE), F. Widmann (MPE), E. Wieprecht (MPE), E. Wiezorrek (MPE), J. Woillez (ESO) och G. Zins (ESO). Uppgraderingarna av GRAVITY+ har designats och konstruerats vid följande institut i samarbete med ESO:

Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Max Planck Institute for Astronomy, University of Cologne (Tyskland)
Institut National des Sciences de l'Univers, French National Center for Scientific Research, Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble, Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique, Lagrange Laboratory, Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (Frankrike)
Instituto Superior Técnico’s Centre for Astrophysics and Gravitation, University of Lisbon, University of Porto (Portugal)
University of Southampton (Storbritannien)
Katholieke Universiteit Leuven (Belgien)