Широкие линии излучения
До недавних пор единственным источником получения информации о космосе было электромагнитное излучение: фотоны, которые мы регистрируем на Земле и в космосе с помощью различных детекторов и телескопов. И хотя за последние несколько лет к этому добавились гравитационные волны и нейтрино, извечный вопрос в астрофизике был, есть и остается таким: откуда взялись фотоны в том или ином диапазоне частот (энергий)?
Стоит отметить, что солнечные нейтрино, нейтрино от сверхновой 1987А, а также нейтрино внегалактической природы регистрировали еще в прошлом веке, однако впервые лишь в этом году ученые смогли с уверенностью идентифицировать источник таких внегалактических нейтрино (см.: Многоканальные наблюдения установили источник высокоэнергетичного нейтрино, зарегистрированного IceCube, «Элементы», 17.07.2018).
В этой и нескольких последующих задачах предлагается совершить путешествие по разным частотам и механизмам излучения и попытаться понять, что, как и по какой причине излучает, и как с помощью этого исследуют Вселенную.
Фотоны могут излучаться совершенно разными способами. К примеру, в атомарном газе, где все электроны и ядра связаны, могут наблюдаться так называемые линии излучения из-за перехода электрона с орбиты на орбиту (точнее, с одного энергетического уровня на другой). В молекулярных облаках может наблюдаться излучение из-за перехода молекулы из вращающегося или вибрирующего состояния в другое состояние (вращательные и вибрационные моды). Таких электронных орбиталей и состояний молекул огромное множество, что дает астрофизике богатую информацию и про состав межзвездной среды, пыли и атмосфер звезд, и про температуру и плотность в этих средах и многое другое (рис. 1).
Задача
Рис. 2. Уширенные линии излучения вещества в двух активных галактических ядрах (излучает ионизированный газ вокруг сверхмассивной черной дыры). Видны линии ионизированного железа (FeII), водорода и дважды ионизированного кислорода (OIII). График из статьи J. W. Sulentic et al., 2000. Phenomenology of Broad Emission Lines in Active Galactic Nuclei
Линии излучения на самом деле не всегда являются «линиями». На рис. 2 показаны узкие спектры излучения ионизированного вещества, вращающегося вокруг сверхмассивных черных дыр в двух далеких галактиках. Заметны линии излучения, соответствующие переходам электрона с одной орбиты на другую в железе, водороде и кислороде. При этом хорошо видно, что некоторые линии излучения выглядят вовсе не как узкие пики, а значительно уширены вокруг значения длины волны, соответствующей данному переходу.
Имеет ли ширина этих линий какое-либо физическое объяснение? С чем оно связано?
Известно, что размер излучающей области составляет около одной световой недели, а относительное уширение линии водорода \(\Delta\lambda/\lambda\) приблизительно равно 400/4700. Можно ли из этого сделать какие-либо выводы о массе центральной черной дыры?
Подсказка
Вспомните, какой эффект отвечает за сдвиг линий в результате движения источника. А что происходит, если источников много (разные «куски» вещества вокруг черной дыры), и все излучение сливается? С каким движением тогда связано уширение?
Решение
Как нетрудно понять, вещество вокруг черной дыры находится в постоянном орбитальном движении. Из-за этого возникает следующий эффект: относительно наблюдателя линии излучения смещены в длинноволновую (для вещества, которое двигается от наблюдателя) или коротковолновую (для вещества, которое двигается на наблюдателя) область из-за эффекта Доплера. Этот эффект показан на рис. 3.
Рис. 3.
Так как разрешения спектрографа недостаточно, чтобы учесть пространственное распределение вещества, мы видим суммарный спектр всех излучающих частей, в результате чего вместо доплеровского смещения будет эффективное расширение линий излучения (рис. 4).
Рис. 4.
Так как доплеровское расширение связано с разбросом орбитальных скоростей, можно сделать оценку по порядку величины:
\[ \frac{\Delta \lambda}{\lambda}\sim \frac{V}{c}, \]где \(V\) — это некая характерная орбитальная скорость, а \(c\) — скорость света. При этом центростремительное ускорение на орбите возникает из-за гравитации черной дыры, то есть
\[ \frac{V^2}{R}\sim \frac{GM_{\rm чд}}{R^2}, \]откуда можем найти, что масса черной дыры \(M_{\rm чд} = V^2 R / G\). Взяв в качестве \(R\) одну световую неделю, и определив \(V\) из первого соотношения, найдем, что масса сверхмассивной черной дыры составляет примерно 109 масс Солнца.
Послесловие
Такие области ионизированного газа с расширенными линиями излучения встречаются часто при наблюдении активных галактических ядер — далеких (а, значит, видимых в более «юном» возрасте) галактик со сверхмассивными черными дырами, вокруг которых находится аккреционный диск с горячим излучающим веществом.
В свою очередь, вокруг аккреционного диска есть довольно толстая область плотных облаков водорода, частично ионизированных благодаря излучению диска (рис. 5). Эту область так и называют областью расширенных линий (англ. broad-line region, BLR) в соответствии с ее наблюдательными характеристиками.
Рис. 5. Область расширенных линий (BLR) в активных галактических ядрах с плотными облаками водорода. В достаточно больших облаках газ, находящийся ближе к черной дыре, ионизирован практически полностью (правый рисунок), но при этом дальняя часть облака уже содержит нейтральный водород, и излучение оттуда в основном возникает из-за более тяжелых ионов (например, ионов магния). Рисунок из статьи P. Jovanović, L. Č. Popović, 2009. X-ray Emission From Accretion Disks of AGN: Signatures of Supermassive Black Holes
Помимо области расширенных линий в активных ядрах галактик присутствуют также области «узких линий» (англ. narrow-line region, NLR, см. рис. 5), где уширение линий не такое сильное. Связано это скорее всего с тем, что эти облака находятся дальше от черной дыры, чем BLR (расстояние порядка сотни световых лет) и разброс скоростей в них меньше.
При этом, как и всегда в астрофизике или космологии, нужно быть крайне осторожными при использовании тех или иных наблюдательных методов. Пользуясь свойствами областей расширенных линий, мы сделали неявное предположение, что эти облака водорода находятся на кеплеровских орбитах вокруг черной дыры (иногда также говорят, что газ вириализировался). Однако это может быть не совсем так: в частности, гидродинамические симуляции показывают, что эти BLR на самом деле могут быть неявно связаны с «ветром» от аккреционного диска, который способен показывать схожее уширение линий (см., например, D. Proga, T. R. Kallman, 2004. Dynamics of Line-Driven Disk Winds in Active Galactic Nuclei II: Effects of Disk Radiation).
Тем не менее, уже не один десяток лет метод расширенных линий излучения является одним из наиболее точных способов измерения массы сверхмассивной черной дыры в активных ядрах галактик.
А точное определение массы черной дыры для ранних галактик является ключевым звеном в понимании образования и эволюции этих объектов. Показательным является эмпирическое соотношение между массой сверхмассивной черной дыры и разбросом скоростей движения звезд в балдже галактик, так называемое М-сигма соотношение (рис. 6). По сути, это соотношение позволяет говорить, что есть прямая связь между возникновением и ростом центральной черной дыры в галактике и динамикой звезд в балдже. Окончательного теоретического понимания этого наблюдательного явления пока, однако, нет.
Рис. 6. М-сигма соотношение для близких активных галактик. Рисунок из статьи J. E. Greene, L. C. Ho, 2005. The M-sigma Relation in Local Active Galaxies
-
1) В задаче Δλ/λ=400/4700. А на картинке самое большое уширение раза в два меньше.
2) При решении мы считаем, что газ расположен примерно на одном и том же расстоянии от чёрной дыры. Но ведь в реальности это не так? Тогда газ вблизи чёрной дыры будет давать большую ширину линий и при маленькой массе. Т.е. сделанная оценка – это оценка сверху.
3) Почему линии, например, кислорода сильно уже, чем у водорода? Кислород находится где-то за пределами области в одну световую неделю? Если нет, то тогда почему мы берём самую широкую линию, а не самую узкую для оценки массы чёрной дыры?
Или просто картинка не соответствует цифрам в задаче?-
Извиняюсь за опоздание с ответом.
1) Картинка взята произвольная, она не имеет отношения к числам в задаче.
2) Газ совсем близко к чёрной дыре полностью ионизирован и очень горячий. У такого вещества нет хорошо выраженных линий, так как основная часть излучения -- тепловая: см. следующую задачу. На каком-то конечном расстоянии находятся эти облака BLR, которые лишь частично ионизированы и у них чётко видны линии излучения, которые уширены. В целом же, да -- уширение зависит от разброса по расстояниям.
3) В целом эти линии могут приходить с разных областей, в облаках BLR ближе к чёрной дыре газ ионизирован сильнее, чем в областях дальше, поэтому ближе к ЧД в основном излучает водород, а дальше -- всё остальное.
-
Последние задачи
Рис. 1. Сверху: изображение неба в миллиметровом диапазоне, полученное телескопом «Планк». Видно излучение молекул монооксида углерода (CO) из-за перехода из одного вращательного состояния в другое. На врезках показаны некоторые молекулярные облака. Изображение с сайта sci.esa.int. Снизу: небо на длине волны 656 нм. Эти оптические фотоны соответствуют излучению из-за перехода электрона в атоме водорода с третьей орбитали на вторую (линия H-альфа). Хорошо видны области, содержащие нейтральный водород: они самые яркие. Изображение с сайта faun.rc.fas.harvard.edu