黑洞的 「影響范圍 」內發生了什麼?天文學家作出解釋

據媒體報導,在黑洞內部發生的事情會一直留在黑洞內,但是在黑洞的「影響范圍」(即黑洞引力占主導地位的星系最內部區域)內部發生的事情引起了天文學家的強烈興趣,並且可以幫助確定黑洞的質量以及它對星系附近的影響。

黑洞的 「影響范圍 」內發生了什麼?天文學家作出解釋

天文學家用阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)進行的新觀測提供了一個前所未有的特寫視角,即圍繞超大質量黑洞旋轉的冷星際氣體漩渦盤。這個圓盤位於NGC 3258的中心,這是一個距離地球約1億光年的巨大橢圓星系。基於這些觀測,由來自德克薩斯A&M大學和加州大學爾灣分校的天文學家領導的團隊已經確定,這個黑洞的重量達到了驚人的22.5億個太陽質量,是迄今為止用ALMA測量到的最大規模的黑洞。

盡管超大質量黑洞的質量可能是太陽的幾百萬到幾十億倍,但它們只占整個星系質量的一小部分。將黑洞的引力與星系中心的恆星、星際氣體和暗物質的影響隔離開來是一項挑戰,需要在非常小的尺度上進行高度敏感的觀測。

德克薩斯A&M大學的博士後研究員、發表在《天體物理學雜誌》上的這項研究的主要作者Benjamin Boizelle說:「在准確確定黑洞的質量時,觀察盡可能靠近黑洞的物質的軌道運動是至關重要的。對NGC 3258的這些新觀測表明,ALMA具有驚人的力量,能夠以驚人的細節繪制超大質量黑洞周圍氣態盤的旋轉圖。」

黑洞的 「影響范圍 」內發生了什麼?天文學家作出解釋

天文學家使用各種方法來測量黑洞的質量。在巨大的橢圓星系中,大多數測量結果來自於對黑洞周圍恆星的軌道運動的觀測,這些觀測是以可見光或紅外光進行的。另一種技術,即利用圍繞黑洞運行的氣體雲中自然產生的水蒸氣(無線電波長雷射),可以提供更高的精度,但這些水蒸氣非常罕見,幾乎只與具有較小黑洞的螺旋星系有關。

在過去的幾年里,ALMA開創了一種新方法來研究巨型橢圓星系中的黑洞。大約10%的橢圓星系在其中心包含有規律旋轉的冷而密集的氣體盤。這些盤含有一氧化碳(CO)氣體,可以用毫米波長的射電望遠鏡來觀察。通過利用CO分子發射的都卜勒位移,天文學家可以測量雲層的速度,而ALMA使得解決星系中心的軌道速度最高的問題成為可能。

該研究的共同作者、加州大學歐文分校的Aaron Barth說:「我們的團隊幾年來一直在用ALMA測量附近的橢圓星系,以尋找和研究圍繞巨型黑洞旋轉的分子氣體盤。 NGC 3258是我們發現的最好的目標,因為我們能夠追蹤到比其他星系更接近黑洞的圓盤旋轉。」

正如地球圍繞太陽運行的速度比冥王星快,因為它經歷了更強的引力,由於黑洞的引力,NGC 3258圓盤的內部區域比外部區域的運行速度快。ALMA的數據顯示,圓盤的旋轉速度從距離黑洞約500光年的外緣的每小時100萬公里上升到距離黑洞僅65光年的圓盤中心附近的每小時超300萬公里。

研究人員通過模擬圓盤的旋轉來確定黑洞的質量,同時考慮到星系中心區域恆星的額外質量和其他細節,如氣態圓盤的輕微扭曲形狀。對快速旋轉的清晰檢測使研究人員能夠以優於1%的精度確定黑洞的質量,盡管他們估計在測量中還有12%的系統不確定性,因為與NGC 3258的距離並不十分精確。即使考慮到不確定的距離,這也是對銀河系以外的任何黑洞最高度精確的質量測量之一。

Boizelle總結說:「下一個挑戰是找到更多像這樣的接近完美的旋轉盤的例子,這樣我們就可以應用這種方法來測量更大的星系樣本中的黑洞質量。達到這種精度水平的其他ALMA觀測將幫助我們更好地了解星系和黑洞在整個宇宙時代的增長情況。」

來源:cnBeta