Астрономи з великою точністю виміряли масу надмасивної чорної діри

Те, що відбувається всередині чорної діри, лишається всередині чорної діри, але що діється в "сфере впливу" чорної діри - в самій внутрішній області галактики, де гравітація чорної діри є домінуючою силою, - викликає неабиякий інтерес у астрономів і може допомогти визначити масу чорної діри, а також її вплив на галактичні околиці.

Про це розповідають в Національній радіо-астрономічній обсерваторії, США.

Нові спостереження за допомогою Атакамського великого міліметрового/субміліметрового масиву (ALMA) надають безпрецедентну можливість побачити крупним планом як виглядає закручений диск холодного міжзоряного газу, що обертається навколо надмасивної чорної діри. Цей диск лежить у центрі NGC 3258 - масивної еліптичної галактики, що знаходиться приблизно за 100 мільйонів світлових років від Землі. На основі цих спостережень команда, яку очолювали астрономи з Техаського університету A&M та Каліфорнійського університету в Ірвіні визначила, що ця чорна діра важить приголомшливі 2,25 мільярда сонячних мас - вона є наймасивнішою чорною дірою, виміряною за допомогою телескопа ALMA на сьогоднішній день.

Хоча надмасивні чорні діри можуть мати маси, які від мільйонів до мільярдів разів перевищують сонячну масу, вони складають лише невелику частку маси всієї галактики. Ізоляція впливу гравітації чорної діри від зірок, міжзоряного газу та темної матерії в галактичному центрі є складним завданням і вимагає високочутливих спостережень у феноменально малих масштабах.

"Спостереження за орбітальним рухом матеріалу якомога ближче до чорної діри є життєво важливим при точному визначенні маси чорної діри", - відмітив Бенджамін Буазель, докторант в Техаському університеті A&M і провідний автор дослідження, що було опубліковано в Astrophysical Journal. "Ці нові спостереження за NGC 3258 демонструють дивовижну здатність ALMA відображати обертання газоподібних дисків навколо надмасивних чорних дір в приголомшливих деталях", - підкреслив він.

Астрономи використовують різні методи для вимірювання маси чорних дір. У гігантських еліптичних галактиках більшість вимірювань відбувається за допомогою спостережень за орбітальним рухом зірок навколо чорної діри, зроблених у видимому чи інфрачервоному світлі. Інша методика використовує природні водяні мазери (радіохвильові лазери) у газових хмарах, які обертаються навколо чорних дір, і забезпечують більш високу точність, але ці мазери дуже рідкісні і пов′язані майже виключно зі спіральними галактиками, які мають менші чорні діри.

Протягом останніх кількох років на ALMA впровадили новий метод дослідження чорних дір у гігантських еліптичних галактиках. Близько 10 відсотків еліптичних галактик містять у своїх центрах диски холодного густого газу, що регулярно обертаються. Ці диски містять газ окису вуглецю (СО), який можна спостерігати за допомогою радіотелескопів міліметрової довжини.

Використовуючи доплерівський зсув випромінювання від молекул СО, астрономи можуть вимірювати швидкості обертання газових хмар, а ALMA дає змогу взятися за самі центри галактик, де орбітальні швидкості найвищі.

"Наша команда впродовж кількох років за допомогою ALMA спостерігала за еліптичними галактиками, розташованими поблизу, щоб виявити та вивчити диски молекулярного газу, що обертаються навколо гігантських чорних дір", - відмітив співавтор дослідження Аарон Барт з Каліфорнійського університету в Ірвіні. "NGC 3258 - найкраща ціль, яку ми знайшли, тому що ми можемо простежити обертання диска ближче до чорної діри, ніж у будь-якій іншій галактиці", - зазначив він.

Так само, як Земля обертається навколо Сонця швидше, ніж це робить Плутон, тому що він відчуває сильнішу гравітаційну силу, внутрішні області диска NGC 3258 обертаються швидше, ніж зовнішні її частини через гравітацію чорної діри. Дані ALMA показують, що швидкість обертання диска зростає з 1 мільйона кілометрів на годину на його зовнішньому краю, на відстані приблизно 500 світлових років від чорної діри, до понад 3 мільйонів кілометрів на годину поблизу центру диска на відстані всього 65 світлових років до чорної діри.

Дослідники визначили масу чорної діри, змоделювавши обертання диска, враховуючи додаткову масу зірок у центральній області галактики та інші деталі, такі як злегка вигнута форма газоподібного диска. Чітке виявлення швидкого обертання дозволило дослідникам визначити масу чорної діри з точністю меньшою за один відсоток, хоча вони оцінюють додаткову систематичну 12-відсоткову невизначеність в вимірюванні, оскільки відстань до NGC 3258 не відома дуже точно. Навіть враховуючи невизначену відстань, це одне з найбільш високоточних вимірювань маси будь-якої чорної діри поза галактикою Чумацький Шлях.

"Наступним завданням є знайти більше прикладів майже ідеальних обертових дисків на зразок цього, щоб ми могли застосувати цей метод для вимірювання маси чорних дір у більшій вибірці галактик, - підсумовує Бойзель. - Додаткові спостереження ALMA, які досягають цього рівня точності, допоможуть нам краще зрозуміти зростання як галактик, так і чорних дір протягом віку Всесвіту".

Фото: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), B. Boizelle; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello; Hubble Space Telescope (NASA/ESA); Carnegie-Irvine Galaxy Survey

Читайте ще цікаві новини про космос.