פתיחת קוד הקוואזר: תובנות מהפכניות מ-3C 273

חוקרים ניתחו נתוני פליטה מקוואזר 3C 273 תוך שימוש בשני מודלים תיאורטיים, וחשפו מורכבויות בהבנת התנהגות קוואזר והמכניקה של חורים שחורים סופר מסיביים.

בעיתון חדש ב ה כתב עת אסטרופיזיעמית JILA ג'ייסון דקסטר, סטודנט לתואר שני קירק לונג ומשתפי פעולה אחרים השוו שני מודלים תיאורטיים עיקריים לנתוני פליטה עבור קוואזר ספציפי, 3C 273. באמצעות מודלים תיאורטיים אלה, אסטרופיזיקאים כמו דקסטר יכולים להבין טוב יותר כיצד הקוואזרים הללו נוצרים ומשתנים לאורך זמן.

מאמינים שקוואזרים, או גרעינים גלקטיים פעילים (AGN), מופעלים על ידי חורים שחורים סופר מסיביים במרכזם. בין העצמים הבהירים ביותר ביקום, הקוואזרים פולטים מערך מבריק של אור על פני הספקטרום האלקטרומגנטי. פליטה זו נושאת מידע חיוני על אופי ה- חור שחור ואזורים שמסביב, מספקים רמזים שאסטרופיזיקאים יכולים לנצל כדי להבין טוב יותר את הדינמיקה של החור השחור.

סיפור על שתי דוגמניות

פליטת אור מקוואזר מעניקה לאסטרופיזיקאים תובנות רבות לגבי המכניקה של החור השחור העל-מסיבי. עבור דקסטר ולונג, נתוני הפליטה מהקוואזר 3C 273 הגיעו מ-GRAVITY, מכשיר ב-VLT של צ'ילה (טלסקופ גדול מאוד). "באופן ספציפי, השתמשנו באור קרוב לאינפרא אדום (אדום מדי בשביל שהעיניים שלך יוכלו לראות אבל עדיין קרוב מספיק לספקטרום הנראה שמראה טלסקופ 'רגילה' משקפת אותו) כדי להסתכל על הקוואזר 3C 273 בעבודה זו, כקו הפליטה שאנו דואגים לפליטות במשטר אורכי הגל הזה", הסביר לונג.

לפי ממצאים קודמים, לונג ודקסטר ציפו שנתוני פליטת GRAVITY יחשפו שיא אחד עבור קוואזר 3C 273. בעוד שיא יחיד זה הוא סימן היכר של ספקטרום פליטת קוואזר, המנגנון שמייצר אותו עדיין נתון לוויכוח, מכיוון שחלק מהאנשים מאמינים כי זה מגיע מהפליטה שנופלת לתוך החור השחור ומתערבלת בתוך המערבולת הגלקטית.

מודלים תיאורטיים ודינמיקה של חור שחור

"אבל עד כמה הגיאומטריה הזו משתרעת?" שאל לונג. "אם הייתם חושבים על האזור הזה שממנו מגיעים קווי הפליטה האלה – שאנחנו קוראים לו אזור הקו הרחב – אם אתם מדמיינים שכדיסקה מסתובבת הפולטת בצורה איזוטרית, שבו כל חלק של הדיסק זוהר באותה טמפרטורה, היה מצפה לראות שני שיאי פליטות".

הסיבה לכך היא שפס אחד מוזז לאדום לכיוון הצופה ואחד מוסט כחול מהצופה עקב אפקט הדופלר.

עם זאת, כפי שניתן לראות בנתונים מהקוואזר 3C 273 (והרבה קוואזרים אחרים), אין שתי פסגות אלא רק אחת. המשמעות היא שהפליטה מהקוואזר אינה לפי המודל הפשוט ביותר, ומשהו מסובך יותר קורה. אסטרופיזיקאים מיישמים מודלים שונים על הנתונים שלהם כדי לבחון את המנגנונים הגורמים לשיא הפליטה האחד.

ניתוח מודלים בענן ודיסק-רוח

כדי להבין טוב יותר את וריאציות הנתונים, דקסטר ולונג בחנו את שני המודלים התיאורטיים העיקריים שהוצעו כמנגנוני הבסיס האפשריים: המודלים הענן והדיסק-רוח. עבור דקסטר, השוואת שני המודלים הללו יכולה להציע תובנה רבה יותר לגבי תהליך הדוגמנות עצמו.

"אחת הנקודות החשובות מכך היא שאתה יכול למעשה למדוד את אי הוודאות במסה של החור השחור כדי לכמת עד כמה אתה טועה אם יש לך את הדגם הלא נכון", הוסיף. "במקרה הספציפי הזה, אנחנו יכולים גם לבדוק עקביות כי אנחנו יודעים איך אנחנו מסתכלים על החור השחור הזה מנתונים אחרים. הדעה כי (א) דגם מסוים (יכול לבחור) אינו תואם את הנתונים האחרים. אז אנחנו יכולים לומר שזה כנראה פתרון לא מועדף. חשוב לעבודה עתידית לזכור שהדגם שאתה בוחר משפיע על המדידות שאתה מקבל. אז, אנחנו לא הולכים לדעת איך אנחנו מסתכלים על המערכות האלה באופן כללי, מה שאומר שחשוב לנסות להבין איזה מהדגמים האלה מחזיק מים במספר הגדול ביותר של מקרים".

התעמקות במכניקת פליטת קוואזר

מודל העננים מציע שקווי הפליטה הנצפים בספקטרום קוואזר נובעים מענני גז מיונן ליד החור השחור המרכזי. לונג פירט: "יש בעצם חבורה של עננים מסתובבים בכאוטי סביב החור השחור. העננים האלה יוצרים את הפסגה הבודדת כי מילאתם יותר גיאומטריה מסוג כדורי במקום רק דיסק, כמו כוכב. אז אתה יכול להגיע לשיא אחד מכיוון שרוב הגז הנפלט לא זז לעברך או הרחק ממך. העננים נמצאים במסלולים מוטים מוזרים אבל עדיין במסלולים יציבים כך שתוכל לשקול את החור השחור."

בעוד שמודל הענן מתאים למספר מערכי נתונים קוואזרים, נראה שהמכניקה לא מסתדרת. "יש את התעלומה שאתה מניח שהעננים צריכים ליפול פנימה ולהסתחרר בדיסק הזה," קבע דקסטר. "אבל, אם התהליך הזה מייצר מעברי גז אטומיים, הוא אמור לייצר את שתי הפסגות האלה שבהן אתה רואה קווים. אבל זה לא מה שאנחנו רואים; זה תמיד השיא היחיד." כדי להסביר את ההבדל הזה, כמה אסטרופיזיקאים משערים שהגזים האטומיים התנפחו, וגרמו לשינוי בספקטרום הפליטה.

כדי להתמודד עם הפער בין פליטת שיא אחת לשתיים, אסטרופיזיקאים אחרים הציעו מודל אחר שנקרא מודל רוח-דיסק. מודל זה מצביע על כך שפליטות הקוואזרים הנצפות "מגיעות מטביעות הרגל של הרוחות המוטבעות בדיסק", הסביר לונג. "בדגם הזה, אתה עדיין יכול לקבל דיסק דק כל הדרך החוצה לאזור הקו הרחב, אבל עכשיו ההנחה הנוספת שלך היא שתוסיף גזירה לדיסק. במחקר שלנו, הוספנו כמה מזמרות שונות מכיוון שאנו רואים עדויות תצפיתיות ליציאות וזרימות, שבהן גזים מפוצצים או מפוצצים מהאזור הזה".

השוואת מודלים ונתונים

באמצעות מערכת מחשוב העל של אוניברסיטת קולורדו בולדר, דקסטר ולונג יישמו את מודל רוח הדיסק על מערך הנתונים הקוואזר 3C 273 כדי לראות עד כמה הוא מתאים. מהחישובים שלהם, דקסטר ולונג מצאו שמודל הרוח-דיסק אכן ישנה את הכמות המחושבת עבור מסת חור שחור בגורם של 5.

אבל למודל הדיסק-רוח היו יותר אי ודאות ממודל הענן, שדקסטר ניתח בעבר. "אני חושב שבעוד שדחינו את מודל רוח הדיסק בהתבסס על התוצאות שלנו, הסיבה היחידה שאנחנו יכולים להפסיד אותו עבור קוואזר 3C 273 היא לא שהוא בעצם מתאים לנתונים הרבה יותר גרוע – הוא למעשה מתאים לנתונים בערך כמו ל- מודל ענן – זה שהוא דורש ממך להסתכל על הדיסק בצורה שונה מהדרך שבה היית מסתכל על העננים," הסביר לונג.

על ידי התאמת מודל רוח הדיסק לנתונים, לונג ודקסטר היו צריכים לכוון מחדש את המבט שלהם על 3C 273 ולהסתכל עליו הצידה. "זה אומר לנו שאולי הגרסה הזו של המודל המוצע שלנו שגויה", הוסיף לונג. "אבל יתכן שיש דברים נוספים שנוכל להוסיף למודל רוח הדיסק שיוכלו ליישר אותו טוב יותר לסילון, אז אנחנו לא פוסלים את זה לחלוטין."

מהתוצאות שלהם, דקסטר ולונג יכולים להבין טוב יותר כיצד אי הוודאות הללו עשויות להשפיע על התהליך הגדול יותר של "שקילה" של חורים שחורים סופר-מסיביים, שאותם יכולים אסטרופיזיקאים אחרים למנף כאשר מסתכלים יותר על הדינמיקה של הקוואזרים.