Forum der Vereinigung der Sternfreunde

Hallo,

in den letzten Wochen war ja einiges von M87 zu lesen. Gestern Abend war es sternklar und trotz des Mondlichts habe ich M87 spektrometriert. Dazu habe ich mit meinem 14" Hypergraphen mittels des LISA Spektrographen 10 Spektren mit jeweils 20min Belichtungszeit aufgenommen. Als Kamera habe ich eien ATIK460EXm genutzt, die die SBIG ST10 ersetzt - hier hatte durch Testreihen herausgefunden, dass die Atik bei gleichen Belichtungszeiten ein doppelt so gutes S/R-Verhältnis liefert.

Das 1. Bild zeigt das gesamte Spektrum - ich habe den Kontinuumverlauf (noch) nicht entfernt, damit ihr sehen könnt, wie weit die QE der Atik reicht.




In diesem ersten Posting will ich nur einen Blick auf die Ha-Region werfen. Das folgende Bild zeigt diesen Ausschnitt des Spektrum.




Bei M87 handelt es sich um eine große elliptische Galaxie im 55Mio Lichtjahre entfernten Virgohaufen - man klassifiziert sie als cD, also als "Riesengalaxie", die im Haufen schon mehrere kleinere Galaxien "verschluckt" hat.

Die Veröffentlichung des Bildes der Umgebung des schwarzen Loches in M87 lieferte einen Beweis für das so genannte Standardmodell der Aktiven Galaxien. Hierzu gehört auch eine zentrale Akkretionsscheibe, in der Material langsam ins Zentrum zum super-massiven Schwarzen Lock strömt.

Es gab schön früher Messungen und Belege für diese Scheibe, aber eben nicht als "Foto". Einen Link füge ich ein, ihr findet dazu aber jede Menge Material im Internet.
http://archive.seds.org/hst/M87Plot.html

Mit meinen bescheidenen Daten kann man einen kleinen Einblick in diese "Scheibennatur" gewinnen - und zwar in der Form, dass die Ha-Linie ein Komposit der blau- und der rot-verschobenen Ha-Linien sind, die auf die leuchtenden und rotierenden Scheibenstrukturen zurückzuführen sind. Im Ha-Ausschnitt sind die zwei Komponenten markiert.

__ Ha-Blaukomponente: 658.05nm gemessen -> 787km/s
__ Ha-Rotkomponente: 660.07nm gemessen -> 1710km/s

Der Mittelwert liefert für den Kern von M87 die Fluchtgeschwindigkeit von 1248km/s , die nur 2.7% vom Literaturwert von 1284km/s abweicht. Aus meinen Daten kann man auch ablesen, dass die mittlere Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe +/- 462km/s beträgt.

Schöne Grüsse und Euch allen schöne Ostertage,
Michael

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Hi Michael,

Very interesting your analyse of this spectrum

Here's my spectrum of M87 taken 2 years ago with a LISA.

Sehr schöne Messung, Michael, sowas macht Lust auf solche Beobachtungen!

Halpha ist ja eine Rekombinationslinie und entsteht daher bei etwa 20.000 Kelvin in relativ großen Abständen vom Zentralkörper. Ist dieser Abstand eigentlich bekannt?

Gruß, Thomas

Bonjour Olivier,

thanks for your feedback - and thanks for your M87 spectrum - a clear approval that amateur can do extragalactic spectroscopy!

And, your Ha-Line is showing what I have explained - its structure is rater complex - it is not just a Ha emission line but shows that their sources of origin a blue- and redshifted, so that the line is broadened and also gets some peaks (not only one peak).

Best wishes,
Michael

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Hallo Thomas,

auch dir Danke für das Posting.

Ich füge einmal ein Bild aus einer M87 Veröffentlichung ein, die sich auf die Scheibe bezieht - witzigerweise benutzen die Autoren das gleiche Scheibenmodell, das ich bei der M82 Analyse auch eingesetzt hatte.


Anbei der Link zum Artikel ... https://pages.astronomy.ua.edu/keel/agn/m87core.html

Die Zentralmasse wurde damals mit 3.2 * 10^9 Sonnenmassen noch zu klein abgeschätzt, der aktuelle Wert liegt bei 6.5 * 10^9.
Die modellierte Scheibe zeigt Gechwindigkeiten von +/- 450 .. 500 km/s und dies passt sehr gut zu meinen Werten.

Es gibt im Modell viele Scheibenbereich, die heiß genug sind, um Ha-Linienemission anzuregen - so, wie du schreibst, sind es dies 20.000K und diese gibt es nahezu überall - über / unter der Scheibe. Als Anhaltspunkt - diese Scheibe strahlt deutlich auch im Röntgenlicht, auch dort übrigens mit einer prominenten Emissionslinie (Eisen).

Was auch klar wird, ist, dass es viele Beiträge zum Ha-Leuchten gibt, und alle "prägen" ihre rot/blau-verschobenen Ha-Anteile in die Ha-Emission ein. Das Ergebnis ist dann das Komposit. Wobei ich auch einmal schauen muss, das wurde sicherlich im Detail schon untersucht, ich habe aber eben - vor den Kaffeetrinken - keinen passendendazu Artikel gefunden.

Und - ich lade alle Interessierten ein, doch selbst einmal M87 zu spektometrieren - die Quelle steht günstig!

Schöne Grüsse,
MIchael

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Danke, Michael!

Das scheint komplexer zu sein, als man denkt. Das Halpha-Bild zeigt eine sehr ausgedehnte Region (vermutlich eine Scheibe). Und wenn es eine Scheibe ist, ist sie wahrscheinlich zur Beobachterrichtung verkippt. Ich denke, Du siehst die entsprechende projizierte Radialgeschwindigkeit dieser Scheibe. Das FOC-Spektrum ist von der verbotenen O II Emission bei 3727 A. Da die im UV liegt, hatte ich erwartet, dass diese Linie deutlich höhere Anregungstemperaturen wie Halpha braucht und daher näher am Zentrum erzeugt wird. Nach einer kurzen Suche habe ich aber gefunden, dass das nicht stimmt. Auch diese Linienenergie liegt bei rund 20.000 Kelvin. Das wiederum heißt, dass sowohl Halpha als auch [OII} weit vom schwarzen Loch entfernt erzeugt werden, auch wenn die Linienprofilverteilung natürlich bei verschiedenen Distanzen erzeugt wird.

Das ist eine coole Sache. Eine Kritik trotzdem: Du zeigst uns das nicht auf der Aspekt in Salzburg……. Ganz böse!
Gruß, Thomas

Hallo Michael, hallo Thomas,
damit verbotene O II Emissionen entstehen, darf die Materiedichte einen gewissen sehr niedrigen Grnzwert nicht übersteigen. Daher kann der Ort der Entstehung nicht allzu nah am schwarzen Loch liegen. Vielleicht kann man diese Tatsache zu einer Abschätzung der Materiedichte nutzen.
Viele Grüße
Christian

Klar! Das sind nur rund 1000 Elektronen pro Kubikzentimeter. Daraus wird man aber nur schwerlich eine Distanz abschätzen können.

Hallo Thomas, hallo Christian

Ihr weist beide auf die allgemeine Problematik bei der Modellierung des Spektrums einer Aktiven Galaxie hin: Es gibt viele beitragende Emissionsquellen und diese sind großräumig verteilt - von einigen Lichtsekunden bis zu Lichtstunden (mit den Jets geht es in die Region von Lichtjahren).
Und die Materiedichte reicht vom dünnen Gas, das verbotene Linien erlaubt bis hin zu Bereichen mit dichten Wolken, die man in welchen mit hohen Geschwindigkeiten und weiter von der Scheibe entfernten mit geringeren Geschwindigkeiten unterteilt. Und dies alles wird von einem 10..100 Lichtjahre großen, dicken Staubtorus umschlossen, der nur bei bestimmten Einblickwinkel den direkten Blick auf die zentrale Scheibe erlaubt.

Kurzum, so etwas zu modellieren ist knifflig, weil durch die vielen Komponenten viele Parameter und damit Freiheitsgrade hinzukommen, wodurch die Aussagekraft stark nachlässt (man kann alles mögliche anfitten). Viele Astronomen konzentrieren sich daher auf einen Wellenlängenbereich. Das Ganze wird noch interessanter, wenn man die Zeitvariabilität der Emission und Strukturen dazunimmt.

Zur Aspekt - Ich habe überlegt, schaffe es aber zeitlich leider nicht - in 2020 werde ich dies aber zu ändern versuchen.

Noch etwas - ich weiß nicht, ob dies hier erlaubt ist, aber wer sich für Aktive Galaxien interessiert und sich allgemein ins Thema Galaxien einlesen möchte, dem sei die 2. Auflage des Bildatlas für Galaxien empfohlen, neu erschienen im Kosmos Verlag. Neu dabei ist nun auch ein Kapitel zur Milchstraße.

Schöne Grüße
Michael

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Hello Michael,

I also looked at M87 with my ALPY after the black hole image was published.
https://britastro.org/node/17807
but your spectrum has better resolution.

Are you sure the lines identified as red and blue shifted H alpha are not [NII] 6548, 6583 which are also often seen in galaxy spectra ?

Cheers
Robin

Hello Robin,
in Osterbrock & Ferland, Astrophysics of Gaseous Nebulae and Active Galactic Nebulae, 2nd Edition, pp 330 and 331 spectra of NGC 3227 resp. Mrk 1157 are shown. Both are Seyfert I resp. II galaxies and have strong blended Ha and [N II] emission lines. Also Richard Walker shows in his Spectral Atlas spectra of M 82 (starburst galaxy) and M 77 (Seyfert galaxy). Unfortunately I couldn't find a spectrum of M87.
Cheers
Christian

P.S.
Caroll Ostlie, An Introduction of Modern Astrophysics show the same spectrum of Mrk 1157 but without marking the [N II] line. I tend to trust more the interpretation of Osterbrock Ferland.
Christian

Hello Christian,

I down loaded the spectrum I included for comparison with my spectrum from NEDS
https://ned.ipac.caltech.edu/byname?objname=m87
It originally comes from this paper
https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2 ... 02-08.html
The H alpha region is not well resolved but they do include a line strength for [NII] 6584 in the table 6 for M87 (3C274)
They identify the strong component to the red of H alpha as [NII] with a strength 2.3x that of H alpha

I think the blue and red lines in Michael's spectrum are probably [NII], not red and blue shifted H alpha from material orbiting near the black hole

Cheers
Robin

Hello Christian, hello Robin,

thanks for your comments - as you mentioned, the H-Alpha emission line analysis is not a simple task.

And, I have to apologize for being very short in my first posting. So please let me summarize what I have done, and I will also describe my findings that guided me in my analysis:

1. I started with my "standard extragalactic-emission lines" spreadsheet. Here I use the typical lines Hb-[OIII], the [NII]-Ha and the [SII] - as you can see, this is my standard approach I have used in all of my postings, which positive results, so this method is "stable"

2. For M87, I have done this, too - so I have focused on the Ha-structure and tried to match it to the [NII]-Ha-[NII] "triplet". The result was negative, as the wavelength shifts and the derived redshift velocities do not fit at all to the M87 distance being a cD-galaxy in the Virgo cluster.

3. For the Virgo cluster, there is a lot of literature and lots of measurement, i.e. the velocity dispersion is well known, and the velocity amplitude's difference of more than 900km/s do not fit all either - so I concluded that the [NII]-Ha-[NII] approach cannot be used here to explain the peaks sitting "on" the broadened lines composite (see point #6).

4. Also, please note, that even if there would be an [NII] emission, this emission would also have to be structured, as the emission would also be dominated by the rotating disk. For me, this was the point where I have given up the [NII]-Ha-[NII] idea, finally.

5. Then I reviewed some M87 papers, focus on M87 emission line analysis, and a HST FOC/S showed exactly the Ha-line structure that I have also measured.

This is a similar link - showing the same disk-based-structuring force for the [OIII] line
https://www.researchgate.net/publicatio ... Gas_in_M87

(I will add the specific paper's link, I haven't it available now (I am travelling with my mobile..))

6. With the model of using a rotating disk and a complex Ha-line structure, my results yielded a velocity estimate that fits significantly good. Please note, that I also think that there is definitely also an [NII] emission, but in the M87 disk emission, the Ha-disk emission part is the dominating one, and especially the fast rotating parts of the disks are the main contributors to the Ha-emission line.


Finally, using the emission line measurements and the findings of other, more elaborate, work on the Ha-disk-emission structure, I would conclude that my data analysis is in alignment with a rotating disk in M87.

And please let me add - as a consoling and soothing remark: M87 is an active galaxy, but regarding the optical emission, a "more normal" active galaxy, i.e. Seyfert galaxies, their spectroscopical characteristic is easier to understand. Furthermore, there will be surely a "wave of M87 papers" that will be published, pushed by the latest M87 black hole press release, so it is easier to get money for future astronomical work

Best wishes,
Michael

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Hello,

I have found the paper from R.Harms et al. on the M87 HST spectral analysis with the result of a rapidly rotating disk:

http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi- ... etype=.pdf

In their result chapter, the start with "the most dramatic feature .." and point to their Fig.1b, showing the spatially resolved spectra, with the components, I have discussed above.

I think the key to understand the spectra, at least the main emission components, is to differentiate the "broadened line parts" (Ha and [NII]) from the "spiky parts" (Ha-peaks).

Also, please note that the HST FOS aperture scale and so the disk size is about 1 arc sec - and this equals about 100pc. This disk is not the famous M87 "photo" ring size, that we have seen in TV etc. This diameter is only 50 * 10-6 arc sec - and shows "only" the inner part of the accretion disk in M87 - see Fig. 14 in the paper https://iopscience.iop.org/article/10.3 ... jlab0e85s5

Best wishes,
Michael

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Hallo Thomas,
man kann aber die Temperatur abschätzen.
Viele Grüße
Christian

Habe ich ja schon gesagt, die liegt bei rund 20.000 Kelvin.

Mit welcher Methode kommst Du auf diesen Wert? Boltzmann Statistik? Die ist bei metastabilen Zuständen nicht unbedingt anwendbar, da bei verbotenen Linien die Oszillatorstärke sehr niedrig ist und kein Gleichgewicht herrschen muss. Oder Saha Gleichung?
Z. B. für Cygnus A geben Osterbrock Ferland 10000 K an.

Hallo Christian,

zu deiner Frage - es ist die Maxewell-Boltzmann-Statistik. und es gibt viele Infos dazu im Internet - schaue am besten nach Strömgren-Sphären, auch weil es wichtig ist, welche Sterntyp als "Anreger" agiert, d.h. welche Photonenenergie-Verteilung dieser liefert.

Hier einmal ein Link zu einem Vorlesungsskript der Uni HD... http://www.ita.uni-heidelberg.de/~rowan ... egions.pdf

Da findet sich auch der typische Temperaturwert von 10.000K für das ionisierte Gas in HII_Regionen.
Mit einem O-Stern von 20 Sonnenmassen ergibt sich ein Strömgrenradius von 1.6pc.

Schöne Grüsse,
Michael

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Hello,

please let me add an invite to all of you with own spectrographs: Feel free to do your own M87 spectrum - (as Olivier did) - I would appreciate to share and discuss the results. My parameters could be a guideline - with a 14" f/8.9 instrument, exposure times of 20min and a grating of 300..400 l/mm, you should get the same SNRs.

M87 is a nice object in the first half of the night - so perfect choice for a spring session!

Best wishes,
Michael

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For comparison, here is the dat file of my spectra, (central and outer regions) using the ALPY from here
https://britastro.org/node/17807
and also the dat file of a spectrum of the central region taken using the Palomar Observatory 200 inch from this reference. (resolution 2.5A)
http://articles.adsabs.harvard.edu/pdf/ ... ..98..477H
Note the 200 inch spectrum wavelength is calibrated in the galaxy rest frame

Cheers
Robin

Hello Michael,

This paper also confirms that the intensity of [NII] 6584 is ~2x stronger than H alpha in the NGC4486 (M87) nucleus In a region similar to our measurements (~2x4 arcsec)
https://iopscience.iop.org/article/10.1086/313041/pdf
Table 4

Cheers
Robin

Hello Robin,

thanks for your comment & input, and I will dive in here, just give me a few days.

Just a few quick remarks:
- We have to take into account that our typical slit width are broad than the professional ones, as the oeprate with longer focal length, so I would say that we typical mix core and bulge light
- Your point is good with the [NII] / Ha ratios, I have found similar in other galaxy cores, as there is sometimes so much hydrogen in the bulge which absorbs the central Ha-line light and pushes [NII] respectively

So, it is getting more and more interesting. We will see what our joint approch will do

And just let me add me data as well, so you or the colleagues can work and these, too ... http://www.astro-images.de/_originale/L ... _rotBB.DAT

Best wishes,
Michael

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