探测黑洞的“影响范围”:帮助确定黑洞的质量

北京时间8月4日消息,黑洞里面发生了什么,我们无从得知,而天文学家更感兴趣的,是在黑洞的“影响范围”内所发生的事情。这个“影响范围”,指的是一个星系最核心的区域,超大质量黑洞的引力在那里主导着一切。对该区域的了解,或许可以帮助天文学家确定黑洞的质量,以及它对邻近星系的影响。

探测黑洞的“影响范围”:帮助确定黑洞的质量

超大质量黑洞周围旋转的圆盘状物质(想象图)

利用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)的最新观测数据,天文学家终于有机会近距离观察一个由低温星际气体组成、围绕超大质量黑洞旋转的吸积盘。这个圆盘位于NGC 3258星系的中心,这是一个巨大的椭圆星系,距离地球约1亿光年。根据这些观测结果,来自美国得克萨斯农工大学和加州大学欧文分校的天文学家小组确定,这个黑洞的质量达到了惊人的22.5亿倍太阳质量,是迄今为止用ALMA测量到的最大规模的黑洞。

尽管超大质量黑洞的质量可能是太阳的数百万到数十亿倍,但它们只占整个星系质量的一小部分。将黑洞引力的影响与星系中心的恒星、星际气体和暗物质的影响区分开来是一项颇具挑战性的工作,需要在异常小的尺度上进行高灵敏度的观测。

这项研究的结果发表在近期的《天体物理学杂志》(Astrophysical Journal)上,第一作者是得克萨斯农工大学博士后研究员本杰明·博伊泽尔。他说:“观测尽可能接近黑洞的物质的旋转运动,对于准确确定黑洞的质量至关重要。对NGC 3258星系的这些新观测证明,ALMA在描绘超大质量黑洞周围气体盘的旋转时能给出惊人的细节。”

多年来,天文学家使用了各种方法来测量黑洞质量。在巨大的椭圆星系中,大多数测量结果都是通过可见光或红外光来观测黑洞周围恒星的旋转运动。另一种技术是利用围绕黑洞运行的气体云中自然产生的水脉泽(water masers,相当于无线电波长的激光),获得更高的精度,但这些脉泽非常罕见,几乎只与具有较小黑洞的螺旋星系有关。

在过去的几年里,天文学家利用ALMA开创了一种研究巨型椭圆星系黑洞的新方法。大约10%的椭圆星系在其中心具有规律旋转的稠密冷气体盘。这些圆盘含有一氧化碳(CO)气体,可以用毫米波长的射电望远镜观测到。

通过利用一氧化碳分子发射的多普勒频移,天文学家可以测量这些气体云的速度,而ALMA使得分辨出旋转速度最高的星系中心成为可能。

探测黑洞的“影响范围”:帮助确定黑洞的质量

ALMA对超大质量黑洞周围旋转的冷气体进行了最精确的测量。这个超大质量黑洞位于巨型椭圆星系NGC 3258的中心。多色椭圆反映了环绕黑洞的气体运动,蓝色表示朝向地球的移动,红色表示远离地球。中间的插图框表示气体盘旋转速度如何随其与黑洞的距离而变化。天文学家发现,在距离黑洞越近的地方,这些物质的旋转速度越快,这使他们能够准确计算出黑洞的质量:大约是太阳的22.5亿倍

“多年来,我们的团队一直在用ALMA观测邻近的椭圆星系,以寻找和研究围绕巨型黑洞旋转的分子气体盘,”该研究的合著者、加州大学欧文分校的亚伦·巴斯说,“NGC 3258星系是我们发现的最佳目标,因为我们从中追踪到的旋转盘比其他任何星系都更靠近黑洞。”

正如地球受到了更强的引力,因此绕太阳公转的速度比冥王星更快,NGC 3258星系气体盘的内部区域也是如此。由于黑洞引力的影响,气体盘内部区域的旋转速度要比外部区域快得多。ALMA的数据显示,在距离黑洞500光年的外边缘,气体盘的转速约为每小时100万公里;而在距离黑洞65光年的气体盘中心,转速达到了每小时300多万公里。

研究人员通过模拟气体盘的旋转来确定黑洞的质量,并考虑了星系中心区域恒星的额外质量和其他细节,如气体盘轻微扭曲的形状。对气体盘快速旋转的清晰探测使研究人员能够以优于1%的精度来确定黑洞的质量,尽管他们估计测量结果中还有额外12%的不确定性,因为地球与NGC 3258星系的距离并不是很精确。不过,即使考虑到距离的不确定性,这项研究也是对银河系以外的任何黑洞最精确的质量测量之一。

“下一个挑战是找到更多像这样近乎完美的旋转气体盘的例子,这样我们就可以应用这种方法,在更大的星系样本中测量黑洞质量,” 博伊泽尔总结道,“更多达到这一精度水平的ALMA观测也将帮助我们更好地理解星系和黑洞在整个宇宙年龄中的成长情况。”

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