То, что происходит внутри черной дыры, остаётся внутри черной дыры, но то, что происходит внутри "горизонта событий" черной дыры - самой внутренней области галактики, где гравитация черной дыры является доминирующей силой - представляет большой интерес для астрономов и может помочь определить массу черной дыры, а также её влияние на соседние галактические окрестности.
Новые наблюдения с помощью Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) обеспечивают вид крупным планом закрученного диска холодного межзвездного газа, вращающегося вокруг сверхмассивной черной дыры. этот диск лежит в центре массивной эллиптической галактики NGC 3258, расположенной на расстоянии около 100 миллионов световых лет от Земли. Основываясь на этих наблюдениях, команда во главе с астрономами из Техасского университета A&M и Калифорнийского университета в Ирвине установила, что эта черная дыра весит ошеломляющие 2,25 миллиарда солнечных масс, самая массивная черная дыра, измеренная с помощью ALMA на сегодняшний день.
«Наблюдение орбитального движения материала как можно ближе к черной дыре очень важно при точном определении массы черной дыры». сказал Бенджамин Бойзель, исследователь в Техасском университете A&M и ведущий автор исследования, появившегося в Astrophysical Journal. «Эти новые наблюдения NGC 3258 демонстрируют удивительную способность ALMA отображать вращение газообразных дисков вокруг сверхмассивных черных дыр в потрясающей детализации».
Астрономы используют различные методы для измерения масс черной дыры. В гигантских эллиптических галактиках большинство измерений происходят из наблюдений орбитального движения звёзд вокруг черной дыры, сделанного в видимом или инфракрасном свете. другая техника, использующая природные мазеры воды (радио-волновые лазеры) в газовых облаках, вращающихся вокруг черных дыр, обеспечивает более высокую точность, но эти мазеры очень редки и связаны почти исключительно со спиральными галактиками, имеющими меньшие черные дыры.
В последние несколько лет ALMA разработала новый метод исследования черных дыр в гигантских эллиптических галактиках. Около 10 процентов эллиптических галактик содержат в своих центрах регулярно вращающиеся диски холодного плотного газа. эти диски содержат газ монооксид углерода (СО), который можно наблюдать с помощью радиотелескопов миллиметрового диапазона.
Используя доплеровский сдвиг излучения от молекул CO, астрономы могут измерять скорости орбитальных газовых облаков, а ALMA позволяет изучить те самые центры галактик, где орбитальные скорости самые высокие.
«Наша команда в течение нескольких лет изучала близлежащие эллиптические галактики с помощью ALMA, чтобы найти и изучить диски молекулярного газа, вращающиеся вокруг гигантских черных дыр», - сказал Аарон Барт из UC Irvine, соавтора исследования. «NGC 3258 - лучшая цель, которую мы нашли, потому что мы можем отслеживать вращение диска ближе к черной дыре, чем в любой другой галактике».
Подобно тому, как Земля вращается вокруг Солнца быстрее, чем Плутон, потому что испытывает более сильную гравитационную силу, внутренние области диска NGC 3258 вращаются быстрее, чем внешние части из-за гравитации черной дыры. данные ALMA показывают, что скорость вращения диска увеличивается от 1 миллиона километров в час на его внешнем крае, примерно в 500 световых годах от черной дыры, до более 3 миллионов километров в час около центра диска на расстоянии всего 65 световых лет от черной дыры.
Исследователи определили массу черной дыры, моделируя вращение диска, учитывая дополнительную массу звёзд в центральной области галактики и другие детали, такие как слегка искривлённая форма газообразного диска. Четкое обнаружение быстрого вращения позволило исследователям определить массу черной дыры с точностью лучше одного процента, хотя они оценивают дополнительную систематическую погрешность измерения в 12 процентов, потому что расстояние до NGC 3258 не очень точно известно. даже учитывая неопределенное расстояние, это одно из самых точных измерений массы любой черной дыры за пределами галактики Млечный Путь.
«Следующая задача заключается в нахождении большего количества примеров почти идеальных вращающихся дисков, таких как этот, чтобы мы могли применить этот метод для измерения масс черных дыр в большей части галактик», - заключил Буазель. «Дополнительные наблюдения ALMA, которые достигают этого уровня точности, помогут нам лучше понять рост как галактик, так и черных дыр в эпоху Вселенной».