På sporet av kvasarens hemmeligheter

Repriser av kosmisk hendelse kan brukes til å veie sort hull i sentrum av fjern galakse.

Teleskoper (bl.a. Gemini) i soloppgang på Hawaii

Teleskoper i soloppgang på Mauna Kea: Canada-French-Hawaii Telescope (CFHT) til venstre, Gemini i midten, University of Hawaii 2.2m til høyre. Foto: Håkon Dahle.

Denne saken var først publisert på forskning.no

Galaksenes indre liv

I midten av kanskje alle galakser finnes en mystisk kjerne, et supermassivt sort hull med like mye masse som flere millioner soler. Vi kan ikke se disse sorte hullene direkte, men omkring dem virvles gass rundt i høye hastigheter og danner en flat skive rundt galaksekjernen. Gass og partikler som kommer for nærme det sorte hullet, blir slukt inn.

Kvasar 3C273 tatt av Hubble
Kvasaren 3C 273 fanget av Hubble-teleskopets Wide Field Planetary Camera 2. Denne kvasaren er 1,9 milliarder lysår unna Jorden og er den første kvasaren som ble oppdaget, i 1963. Bilde: NASA and J. Bahcall (IAS).

I noen galakser er aktiviteten rundt det sorte hullet i sentrum så intens at det resulterer i noen av universets mest energirike fenomener; kvasarer.

Hvis tilstrekkelige mengder materiale faller inn mot det sorte hullet, kan det frigjøres enorme mengder energi, energi som gjøres om til varme og stråling. Gasskiven rundt det sorte hullet vil stråle sterkt, og strie strømmer av partikler vil skytes ut over og under gasskiven med hastigheter nært opptil lyshastigheten.

Navnet kvasar er et akronym for kvasi-stellart objekt, det vil si et objekt som for oss på Jorden ser ut som en stjerne, men som ikke er det. Kvasaren vil faktisk skinne mye sterkere enn galaksen den er i sentrum av.

Lyset splittes til flere bilder

Lyset fra fjerne kvasarer er så sterkt at vi kan observere det med teleskoper her på Jorden, til tross for de enorme avstandene mellom oss og dem.

Den første kvasaren astronomene oppdaget, kvasar 3C 273, er nesten to milliarder lysår unna. Siden den lyser over fire billioner ganger sterkere enn Solen, er den likevel synlig, selv i middels store amatørteleskoper.

Men lyset fra en kvasar kan i noen tilfeller bli splittet på veien frem mot oss. Galakser, eller hoper av galakser, som ligger mellom oss og kvasaren, kan bøye lysstrålene slik at lyset sett fra oss danner flere kopibilder av den samme kvasaren.

Gravitasjonslinsing (skisse)
Gravitasjonslinsing av en kvasar, skjematisk fremstilt. Kvasaren stråler i alle retninger, her ser vi tre av lysstrålene som sendes ut mot oss (hvite linjer). På vei mot oss blir lyset avbøyd på grunn av galaksen mellom oss og kvasaren. Når vi med teleskoper ser i retning kvasaren, vil vi ikke se kvasaren der den egentlig befinner seg, men vi vil se bilder av kvasaren der den stiplete forlengelsen av synslinjen vår  ender opp (rød stiplet linje). Vi vil dermed kunne se flere bilder av kvasaren på litt ulike posisjoner enn der den faktisk befinner seg. Det kan dannes flere bilder, men her viser vi tre. Bilde 1 og 3 er forstørrete kopibilder av kvasaren, mens bilde 2 er en forminsket kopi. Lys som blir avbøyd langt fra sentrum av galaksen (stråle (i)) har kortere reisetid enn lys som passerer gjennom sentrum av linsegalaksen (stråle (ii)). Dette er på grunn av gravitasjonell tidsforlengelse. Klikk her for større versjon av figuren. Illustrasjon: Anna Kathinka Dalland Evans/ITA.

Vi ser flere kopier

Det er tyngdekraften, eller gravitasjonen, fra galakser som ligger mellom oss og kvasaren, som påvirker lyset som reiser forbi. Fenomenet kalles derfor gravitasjonslinsing. Resultatet er at vi i stedet for å se én kvasar, ser flere bilder av den samme kvasaren, på litt ulike posisjoner.

Lyset fra fjerne kvasarer er så sterkt at vi kan observere det med teleskoper her på Jorden, til tross for de enorme avstandene mellom oss og dem.

Ulik reisevei gir tidsforskjell mellom bildene

Tenk deg at lyset fra en kvasar kommer langt borte fra, passerer en galakse eller en galaksehop, blir avbøyd og fortsetter reisen sin frem mot oss. Når vi så ser i retning kvasaren, vil synslinjen vår følge en linje rett fremover der lyset på sin ferd mot oss ble avbøyd, og dermed ser vi ikke kvasaren der den egentlig befinner seg, men vi ser et bilde av den på et litt annet sted. 

Det samme kan skje med lyset som kommer rundt galaksen fra en annen kant. Dermed ser vi et annet bilde der. Det kan dannes enda flere kopier av den samme kvasaren. Noen av bildene blir forsterket, andre blir svakere. Noen av bildene er så svake at de er vanskelige eller umulige å observere. 

Lysstråler som blir sendt ut fra kvasaren i litt ulike retninger, vil bli bøyd på forskjellig sted, og dermed får de ulik lengde på reiseveien sin. Resultatet er at de kommer frem til oss her på Jorden til forskjellige tidspunkt.

... dermed ser vi ikke selve kvasaren, men et bilde av den på et litt annet sted

Kopiene gir repriser

Kvasarer lyser ikke stødig og konstant, men kan variere ganske mye i lysstyrke over tid. Noen ganger lyser de litt sterkere, andre ganger litt svakere. Dette fører til at vi her på Jorden vil kunne observere den samme økningen og synkingen i lysstyrke av kvasaren til forskjellig tid i de ulike bildene av en gravitasjonslinset kvasar.

Den samme endringen i lysstyrke er synlig først i ett kvasarbilde, deretter kommer en reprise i det andre bildet, og eventuelt i enda flere bilder, hvis de finnes.

Å klare å måle denne tidsforskjellen mellom variasjonen i lysstyrke i de ulike bildene er et stort forskningsfelt i kosmologi i dag. Denne tidsforskjellen kan nemlig fortelle mye om massefordelingen i galakser, og om kvasaren selv. 

Historisk sett ble gravitasjonslisning først sett på som en kuriositet. Den første som forutsa at tidsforskjellen faktisk kan ha svært mange anvendelser i astronomien var nordmannen Sjur Refsdal, i 1964. 

Fant helt spesiell kvasar

Håkon Dahle har forsket på gravitasjonslinsing ved Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo i en årrekke. Han samarbeider med forskere på University of Chicago, University of Michigan, Harvard og ved NASA.

Forsker Håkon Dahle i kontrollrommet
Forsker Håkon Dahle på jobb i kontrollrommet på et av teleskopene på Hawaii. Foto: Fumiaki Nakata.

For tre år siden oppdaget han og kollegene en svært spesiell kvasar som de kunne se hele seks kopier av. I stedet for å se kvasaren der den egentlig er, kan altså astronomene observere seks bilder av den samme kvasaren, på litt ulike steder og med litt ulik lysstyrke. 

Tålmodighetsarbeid

De seks kvasarbildene i den sekstuple kvasaren til Dahle og medarbeiderne, har navn fra A-F, der A er det sterkeste og F det svakeste bildet. Bare det å oppdage og få bekreftet observasjonene av så mange bilder av den samme kvasaren var en lang prosess i seg selv. Nå har Dahle og forskergruppen hans i tillegg målt tidsforskjellen mellom de tre sterkeste bildene A-C.

Den linsete kvasaren med tre bilder markert A-C
Sammensatt bilde som bruker observasjoner fra både Gemini og NOT-teleskopene for å vise de tre sterkeste kvasarbildene A, B og C. Lys fra bilde C kommer først frem, og kan dermed brukes til å forutsi fremtidig oppførsel til de andre kvasarbildene. De gule flekkene i midten er galakser i galaksehopen som fungerer som gravitasjonslinse og bøyer lyset. De ulike fargene på bildene A, B og C er ikke reelle. Bilde: Mike Gladders/Håkon Dahle/Gemini/NOT.

– Vi kommer etter hvert til å klare å måle tidsforskjellen mellom alle bildene, forteller Dahle.

Imidlertid må man smøre seg med tålmodighet for å få observert alle kvasarbildene. Tidsforskjellen mellom kvasarbildene kan nemlig være flere år.

Tidsforsinkelse

– Det er C-bildet som leder, forklarer Dahle. 

Med andre ord har lyset brukt kortest tid på den reisen som danner bilde C. Ser man nøye på bildet av kvasaren, virker dette kanskje litt merkelig. Bilde C ligger jo lengst unna sentrum av de galaksene (gule flekker) som bøyer lyset.

I den skjematiske fremstillingen av gravitasjonslinsing over, vil altså stråle (i) bruke kortere tid fra kvasaren til oss enn stråle (ii) - som da vitterlig tar en rettere og, skulle man tro, kortere vei?

Forklaringen på at bilde C likevel inntar ledelsen er en effekt som kalles gravitasjonell tidsforsinkelse. Tyngdekraften er kraftigst i sentrum av galaksene som bøyer lyset, og lyset som passerer gjennom dette området utsettes for en sterkere tidsforsinkelseseffekt og bruker dermed lenger tid på å komme frem. 

Lyskurve til kvasaren, lysstyrke mot tid.
Lyskurver for de tre kvasarbildene A, B og C: Bilde A er representert med de blå punktene, bilde B med de grønne og bilde C med de røde punktene. Klikk her for større versjon av figuren. Lyskurvene til de forskjellige kvasarbildene er korrigert for den målte tidsforsinkelsen mellom bildene, slik at de ligger oppå hverandre i figuren. Dette gjør det lett å se at de tre bildene virkelig varierer i lysstyrke på samme måte (observasjonspunktene ligger oppå hverandre). Årstallene øverst angir tidspunkter for lysstyrkevariasjonene til det mest lyssterke av kvasarbildene, bilde A. Figuren viser at vi kan bruke de lysstyrkemålingene vi har for bilde C (røde punkter), som leder med 2 år, til å forutsi hvordan bildene A og B vil variere i 2016 og 2017. Vi ser at bilde A og B begge vil bli 0,5-0,6 magnituder (60-75%) sterkere i 2016. Figur: Håkon Dahle.   

Overvåker kvasaren

For å klare å observere økningen i lysstyrke i alle seks kopibildene, trengs en detaljert overvåkningsplan. Dahle og forskerne han samarbeider med, bruker Nordisk Optisk Teleskop (NOT) og Gemini-teleskopet på Hawaii for å ha kontroll på variasjonene til de seks kvasarbildene.

Forskerne mener at bilde C ligger 2 år i tid foran bildene A og B, som igjen ligger foran D, E og F.

I 2014 viste C-bildet en voldsom økning i lysstyrke. Siden økningen i lysstyrke er så sterk, er den ypperlig å lete etter hos de andre bildene, blant smårusket av andre opp- og nedturer i styrke en kvasar kan vise.

– Vi forventer å se igjen denne voldsomme økningen i lysstyrke i 2016, først i bilde A og 48 dager etter det i bilde B, forteller Dahle.

Alt i alt ser forskerne frem til 5 repriser av økningen i lysstyrke i årene fremover, i kvasarbildene A, B, D, E og F.

– Vi vet at vi kommer til å observere repriser av den kraftige lysstyrkeøkningen som vi allerede har sett i C-bildet, og det gjør at vi vet at vi vil klare å måle alle tidsforskjellene i linsesystemet. 

Ved hjelp av disse målingene vil Dahle og de andre forskerne kunne bestemme tettheten av mørk materie i de sentrale delene av den gravitasjonslinsende galaksehopen mer nøyaktig enn man har klart tidligere.    

Vil veie det sorte hullet

Tilbake til det mystiske sorte hullet som er selve drivkraften til den voldsomme energiutsstrålingen i kvasaren. Dahle og samarbeidspartnerne hans vil gjerne bruke den spesielle sekstuple kvasaren til å forstå mer av det supermassive sorte hullets egenskaper.

Tegning av kvasar
Aktiv galaksekjerne: Illustrasjon (tegning) av en kvasar, slik astronomene tror den ser ut. Gass og støv danner en flat disk rundt det sentrale supermassive sorte hullet. Energi fra materiale som blir slukt av det sorte hullet fører til at høyenergiske strømmer av partikler skytes ut over og under gasskiven med hastigheter nært opptil lyshastigheten. Klikk her for et større bilde. Bilde: NASA/ESA.

Astronomer bruker ofte et særdeles nyttig verktøy for å observere lys fra fjerne objekter. Ved hjelp av en spektrograf kan lyset kan deles opp i ulike bølgelengder. Slik kan man se hvor mye lys med ulik bølgelengde som når frem til oss. Når lyset er spredt ut i sine ulike bølgelengder kaller vi det for et lysspekter.

Ved å observere hvordan lysspekteret til den sekstuple kvasaren forandrer seg når lysstyrken til A- og B-bildet øker som forutsagt i 2016, vil astronomene forsøke å måle massen til det sorte hullet i sentrum av kvasargalaksen.

På denne måten kan man klare å veie et sort hull som ligger milliarder av lysår unna Jorden.

Av Anna Kathinka Dalland Evans
Publisert 20. nov. 2015 09:13 - Sist endret 27. okt. 2017 12:51