黑洞的 “影响范围 ”内发生了什么?天文学家作出解释

据外媒报道,在黑洞内部发生的事情会一直留在黑洞内,但是在黑洞的“影响范围”(即黑洞引力占主导地位的星系最内部区域)内部发生的事情引起了天文学家的强烈兴趣,并且可以帮助确定黑洞的质量以及它对星系附近的影响。天文学家用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)进行的新观测提供了一个前所未有的特写视角,即

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  据外媒报道,在黑洞内部发生的事情会一直留在黑洞内,但是在黑洞的“影响范围”(即黑洞引力占主导地位的星系最内部区域)内部发生的事情引起了天文学家的强烈兴趣,并且可以帮助确定黑洞的质量以及它对星系附近的影响。

  天文学家用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)进行的新观测提供了一个前所未有的特写视角,即围绕超大质量黑洞旋转的冷星际气体漩涡盘。这个圆盘位于 NGC 3258 的中心,这是一个距离地球约 1 亿光年的巨大椭圆星系。基于这些观测,由来自德克萨斯A&M大学和加州大学尔湾分校的天文学家领导的团队已经确定,这个黑洞的重量达到了惊人的 22.5 亿个太阳质量,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几百万到几十亿倍,但它们只占整个星系质量的一小部分。将黑洞的引力与星系中心的恒星、星际气体和暗物质的影响隔离开来是一项挑战,需要在非常小的尺度上进行高度敏感的观测。

  德克萨斯A&M大学的博士后研究员、发表在《天体物理学杂志》上的这项研究的主要作者 Benjamin Boizelle 说:“在准确确定黑洞的质量时,观察尽可能靠近黑洞的物质的轨道运动是至关重要的。对 NGC 3258 的这些新观测表明,ALMA 具有惊人的力量,能够以惊人的细节绘制超大质量黑洞周围气态盘的旋转图。”

  天文学家使用各种方法来测量黑洞的质量。在巨大的椭圆星系中,大多数测量结果来自于对黑洞周围恒星的轨道运动的观测,这些观测是以可见光或红外光进行的。另一种技术,即利用围绕黑洞运行的气体云中自然产生的水蒸气(无线电波长激光),可以提供更高的精度,但这些水蒸气非常罕见,几乎只与具有较小黑洞的螺旋星系有关。

  在过去的几年里,ALMA 开创了一种新方法来研究巨型椭圆星系中的黑洞。大约 10% 的椭圆星系在其中心包含有规律旋转的冷而密集的气体盘。这些盘含有一氧化碳(CO)气体,可以用毫米波长的射电望远镜来观察。通过利用 CO 分子发射的多普勒位移,天文学家可以测量云层的速度,而 ALMA 使得解决星系中心的轨道速度最高的问题成为可能。

  该研究的共同作者、加州大学欧文分校的 Aaron Barth 说:“我们的团队几年来一直在用 ALMA 测量附近的椭圆星系,以寻找和研究围绕巨型黑洞旋转的分子气体盘。 NGC 3258 是我们发现的最好的目标,因为我们能够追踪到比其他星系更接近黑洞的圆盘旋转。”

  正如地球围绕太阳运行的速度比冥王星快,因为它经历了更强的引力,由于黑洞的引力,NGC 3258 圆盘的内部区域比外部区域的运行速度快。ALMA 的数据显示,圆盘的旋转速度从距离黑洞约 500 光年的外缘的每小时 100 万公里上升到距离黑洞仅 65 光年的圆盘中心附近的每小时超 300 万公里。

  研究人员通过模拟圆盘的旋转来确定黑洞的质量,同时考虑到星系中心区域恒星的额外质量和其他细节,如气态圆盘的轻微扭曲形状。对快速旋转的清晰检测使研究人员能够以优于1% 的精度确定黑洞的质量,尽管他们估计在测量中还有 12% 的系统不确定性,因为与 NGC 3258 的距离并不十分精确。即使考虑到不确定的距离,这也是对银河系以外的任何黑洞最高度精确的质量测量之一。

  Boizelle 总结说:“下一个挑战是找到更多像这样的接近完美的旋转盘的例子,这样我们就可以应用这种方法来测量更大的星系样本中的黑洞质量。达到这种精度水平的其他 ALMA 观测将帮助我们更好地了解星系和黑洞在整个宇宙时代的增长情况。”

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