ALMA dykker ned i sorte hullers indflydelsessfære

Hvad der sker inde i et sort hul, bliver inde i et sort hul, men det, der sker inde i et sort huls "indflydelsessfære" - det inderste område af en galakse, hvor et sort huls tyngdekraft er den dominerende kraft - er af stor interesse for astronomer og kan hjælpe med at bestemme massen af ​​et sort hul såvel som dets indvirkning på sit galaktiske kvarter.

Nye observationer med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) giver et hidtil uset nærbillede af en hvirvlende skive af kold interstellar gas, der roterer omkring et supermassivt sort hul. Denne skive ligger i centrum af NGC 3258, en massiv elliptisk galakse omkring 100 millioner lysår fra Jorden. Baseret på disse observationer, et hold ledet af astronomer fra Texas A&M University og University of California, Irvine, har fastslået, at dette sorte hul vejer svimlende 2,25 milliarder solmasser, det mest massive sorte hul målt med ALMA til dato.

Selvom supermassive sorte huller kan have masser, der er millioner til milliarder af gange Solens, de tegner sig kun for en lille brøkdel af massen af ​​en hel galakse. Isolering af indflydelsen af ​​et sort huls tyngdekraft fra stjernerne, interstellar gas, og mørkt stof i det galaktiske centrum er udfordrende og kræver meget følsomme observationer på fænomenalt små skalaer.

"At observere den orbitale bevægelse af materialet så tæt som muligt på et sort hul er af afgørende betydning, når man nøjagtigt bestemmer det sorte huls masse." sagde Benjamin Boizelle, en postdoc-forsker ved Texas A&M University og hovedforfatter på undersøgelsen, der vises i Astrofysisk tidsskrift . "Disse nye observationer af NGC 3258 demonstrerer ALMAs fantastiske kraft til at kortlægge rotationen af ​​gasformige skiver omkring supermassive sorte huller i forbløffende detaljer."

Astronomer bruger en række forskellige metoder til at måle sorte huls masser. I gigantiske elliptiske galakser, de fleste målinger kommer fra observationer af stjerners banebevægelse omkring det sorte hul, taget i synligt eller infrarødt lys. En anden teknik, ved at bruge naturligt forekommende vandmasere (radiobølgelængdelasere) i gasskyer, der kredser om sorte huller, giver højere præcision, men disse masere er meget sjældne og er næsten udelukkende forbundet med spiralgalakser med mindre sorte huller.

I løbet af de sidste par år, ALMA har været banebrydende for en ny metode til at studere sorte huller i gigantiske elliptiske galakser. Omkring 10 procent af elliptiske galakser indeholder regelmæssigt roterende skiver af kulde, tæt gas i deres centre. Disse skiver indeholder kulilte (CO) gas, som kan observeres med millimeter-bølgelængde radioteleskoper.

Ved at bruge Doppler-forskydningen af ​​emissionen fra CO-molekyler, astronomer kan måle hastighederne af kredsende gasskyer, og ALMA gør det muligt at opløse selve galaksernes centre, hvor kredsløbshastighederne er højest.

"Vores team har undersøgt nærliggende elliptiske galakser med ALMA i flere år for at finde og studere diske af molekylær gas, der roterer omkring gigantiske sorte huller, " sagde Aaron Barth fra UC Irvine, en medforfatter på undersøgelsen. "NGC 3258 er det bedste mål, vi har fundet, fordi vi er i stand til at spore skivens rotation tættere på det sorte hul end i nogen anden galakse."

Ligesom Jorden kredser hurtigere om Solen end Pluto gør, fordi den oplever en stærkere gravitationskraft, de indre områder af NGC 3258-skiven kredser hurtigere end de ydre dele på grund af det sorte huls tyngdekraft. ALMA-dataene viser, at diskens rotationshastighed stiger fra 1 million kilometer i timen ved dens yderkant, omkring 500 lysår fra det sorte hul, til godt og vel 3 millioner kilometer i timen nær skivens centrum i en afstand af blot 65 lysår fra det sorte hul.

Forskerne bestemte det sorte huls masse ved at modellere skivens rotation, tegner sig for den ekstra masse af stjernerne i galaksens centrale område og andre detaljer såsom den let skæve form af gasskiven. Den klare detektering af hurtig rotation gjorde det muligt for forskerne at bestemme det sorte huls masse med en præcision bedre end én procent, selvom de anslår yderligere systematisk 12 procent usikkerhed i målingen, fordi afstanden til NGC 3258 ikke kendes særlig præcist. Selv når man tager højde for den usikre afstand, dette er en af ​​de mest præcise massemålinger for ethvert sort hul uden for Mælkevejsgalaksen.

"Den næste udfordring er at finde flere eksempler på næsten perfekte roterende diske som denne, så vi kan anvende denne metode til at måle sorte hulmasser i en større prøve af galakser, " konkluderede Boizelle. "Yderligere ALMA-observationer, der når dette præcisionsniveau, vil hjælpe os med bedre at forstå væksten af ​​både galakser og sorte huller på tværs af universets alder."