探測黑洞的「影響范圍」:幫助確定黑洞的質量

8月4日消息,黑洞里面發生了什麼,我們無從得知,而天文學家更感興趣的,是在黑洞的「影響范圍」內所發生的事情。這個「影響范圍」,指的是一個星系最核心的區域,超大質量黑洞的引力在那里主導著一切。對該區域的了解,或許可以幫助天文學家確定黑洞的質量,以及它對鄰近星系的影響。

探測黑洞的「影響范圍」:幫助確定黑洞的質量

 超大質量黑洞周圍旋轉的圓盤狀物質(想像圖)

利用阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)的最新觀測數據,天文學家終於有機會近距離觀察一個由低溫星際氣體組成、圍繞超大質量黑洞旋轉的吸積盤。這個圓盤位於NGC 3258星系的中心,這是一個巨大的橢圓星系,距離地球約1億光年。根據這些觀測結果,來自美國德克薩斯農工大學和加州大學歐文分校的天文學家小組確定,這個黑洞的質量達到了驚人的22.5億倍太陽質量,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數百萬到數十億倍,但它們只占整個星系質量的一小部分。將黑洞引力的影響與星系中心的恆星、星際氣體和暗物質的影響區分開來是一項頗具挑戰性的工作,需要在異常小的尺度上進行高靈敏度的觀測。

這項研究的結果發表在近期的《天體物理學雜誌》(Astrophysical Journal)上,第一作者是德克薩斯農工大學博士後研究員班傑明·博伊澤爾。他說:「觀測盡可能接近黑洞的物質的旋轉運動,對於准確確定黑洞的質量至關重要。對NGC 3258星系的這些新觀測證明,ALMA在描繪超大質量黑洞周圍氣體盤的旋轉時能給出驚人的細節。」

多年來,天文學家使用了各種方法來測量黑洞質量。在巨大的橢圓星系中,大多數測量結果都是通過可見光或紅外光來觀測黑洞周圍恆星的旋轉運動。另一種技術是利用圍繞黑洞運行的氣體雲中自然產生的水脈澤(water masers,相當於無線電波長的雷射),獲得更高的精度,但這些脈澤非常罕見,幾乎只與具有較小黑洞的螺旋星系有關。

在過去的幾年里,天文學家利用ALMA開創了一種研究巨型橢圓星系黑洞的新方法。大約10%的橢圓星系在其中心具有規律旋轉的稠密冷氣體盤。這些圓盤含有一氧化碳(CO)氣體,可以用毫米波長的射電望遠鏡觀測到。

通過利用一氧化碳分子發射的都卜勒頻移,天文學家可以測量這些氣體雲的速度,而ALMA使得分辨出旋轉速度最高的星系中心成為可能。

探測黑洞的「影響范圍」:幫助確定黑洞的質量

ALMA對超大質量黑洞周圍旋轉的冷氣體進行了最精確的測量。這個超大質量黑洞位於巨型橢圓星系NGC 3258的中心。多色橢圓反映了環繞黑洞的氣體運動,藍色表示朝向地球的移動,紅色表示遠離地球。中間的插圖框表示氣體盤旋轉速度如何隨其與黑洞的距離而變化。天文學家發現,在距離黑洞越近的地方,這些物質的旋轉速度越快,這使他們能夠准確計算出黑洞的質量:大約是太陽的22.5億倍

「多年來,我們的團隊一直在用ALMA觀測鄰近的橢圓星系,以尋找和研究圍繞巨型黑洞旋轉的分子氣體盤,」該研究的合著者、加州大學歐文分校的亞倫·巴斯說,「NGC 3258星系是我們發現的最佳目標,因為我們從中追蹤到的旋轉盤比其他任何星系都更靠近黑洞。」

正如地球受到了更強的引力,因此繞太陽公轉的速度比冥王星更快,NGC 3258星系氣體盤的內部區域也是如此。由於黑洞引力的影響,氣體盤內部區域的旋轉速度要比外部區域快得多。ALMA的數據顯示,在距離黑洞500光年的外邊緣,氣體盤的轉速約為每小時100萬公里;而在距離黑洞65光年的氣體盤中心,轉速達到了每小時300多萬公里。

研究人員通過模擬氣體盤的旋轉來確定黑洞的質量,並考慮了星系中心區域恆星的額外質量和其他細節,如氣體盤輕微扭曲的形狀。對氣體盤快速旋轉的清晰探測使研究人員能夠以優於1%的精度來確定黑洞的質量,盡管他們估計測量結果中還有額外12%的不確定性,因為地球與NGC 3258星系的距離並不是很精確。不過,即使考慮到距離的不確定性,這項研究也是對銀河系以外的任何黑洞最精確的質量測量之一。

「下一個挑戰是找到更多像這樣近乎完美的旋轉氣體盤的例子,這樣我們就可以應用這種方法,在更大的星系樣本中測量黑洞質量,」 博伊澤爾總結道,「更多達到這一精度水平的ALMA觀測也將幫助我們更好地理解星系和黑洞在整個宇宙年齡中的成長情況。」(任天)

來源:cnBeta