ALMA zagląda w sferę wpływu czarnej dziury

To co się dzieje w czarnej dziurze, zostaje w czarnej dziurze, ale to co się dzieje w “sferze wpływu” czarnej dziury – najbardziej wewnętrznym regionie galaktyki, w którym grawitacja czarnej dziury jest dominującą siły – jest niezwykle interesujące dla astronomów i może pomóc nam określić masę czarnej dziury oraz jej wpływ na galaktyczne otoczenie.

Nowe obserwacje przeprowadzone za pomocą Atacama Large Milimeter/submilimeter Array (ALMA) dostarczają niespotykanego zbliżenia na wirujący dysk zimnego gazu międzygwiezdnego, krążący wokół supermasywnej czarnej dziury. Rzeczony dysk znajduje się w centrum NGC 3258, masywnej galaktyki eliptycznej oddalonej od nas o jakieś 100 milionów lat świetlnych. W oparciu o te obserwacje, zespół kierowany przez astronomów z Texas A&M University oraz University of California Irvine określił, że owa czarna dziura ma masę około 2,25 miliarda mas słońca – i jest najmasywniejszą czarną dziurą zmierzoną jak dotąd za pomocą obserwatorium ALMA.

Choć supermasywne czarne dziury mogą mieć masy miliony lub miliardy razy większe od masy słońca, to stanowią one tylko niewielki wycinek masy całej galaktyki. Oddzielenie wpływu grawitacji czarnej dziury od gwiazd, gazu międzygwiezdnego i ciemnej materii w centrum galaktyk jest dużym wyzwaniem i wymaga bardzo dokładnych obserwacji w fenomenalnie małej skali.

“Obserwowanie ruchu orbitalnego materii znajdującej się możliwie najbliżej czarnej dziury jest kluczowe, gdy staramy się precyzyjnie określić masę czarnej dziury” mówi Benjamin Boizelle, postdoc na Texas A&M University oraz główny autor opracowania opublikowanego w periodyku Astrophysical Journal. “Te nowe obserwacje NGC 3258 potwierdzają niesamowite możliwości ALMA w zakresie mapowania rotacji dysków gazowych wokół supermasywnych czarnych dziur”.

Astronomowie wykorzystują różne metody do mierzenia mas czarnych dziur. W olbrzymich eliptycznych galaktykach, większość pomiarów opiera się na obserwacjach ruchu orbitalnego gwiazd wokół czarnej dziury, wykonywanych w zakresie widzialnym i podczerwonym. Inna technika wykorzystuje naturalnie występujące masery wody w obłokach gazowych krążących wokół czarnych dziur dostarczając bardziej precyzyjnych pomiarów. Niestety takie masery należą do rzadkości i występują zazwyczaj niemal wyłącznie w galaktykach spiralnych o mniejszych czarnych dziurach.

W ciągu ostatnich kilku lat, ALMA zaczęła korzystać z nowej metody badania czarnych dziur w olbrzymich galaktykach eliptycznych. Około 10 procent galaktyk eliptycznych zawiera regularnie rotujące dyski zimnego, gęstego gazu. Owe dyski zawierają gazowy tlenek węgla (CO), który można obserwować za pomocą radioteleskopów na falach milimetrowych.

Wykorzystując przesunięcie dopplerowskie emisji cząsteczek CO, astronomowie mogą mierzyć prędkości orbitujących obłoków gazowych, a ALMA pozwala w ten sposób obserwować same centrum galaktyk, w których te prędkości są największe.

“Nasz zespół badał pobliskie galaktyki eliptyczne za pomocą ALMA od kilku lat, poszukując i badając dyski gazu cząsteczkowego krążące wokół gigantycznych czarnych dziur” mówi Aaron Barth z UC Irvine, współautor opracowania. “NGC 3258 jest najlepszym okazem, bowiem jesteśmy w stanie zajrzeć w niej w rejony znajdujące się najbliżej samej czarnej dziury”.

Tak samo jak Ziemia okrąża Słońce szybciej niż Pluton ponieważ doświadcza silniej grawitacji słońca, tak wewnętrzne regiony dysku NGC 3258 krążą szybciej wokół czarnej dziury niż zewnętrzne jego obszary. Dane z ALMA wskazują, że prędkość rotacji dysku rośnie od 1 miliona kilometrów na godzinę na zewnętrznej krawędzi dysku, jakieś 500 lat świetlnych od czarnej dziury, do ponad 3 milionów kilometrów na godzinę blisko centrum dysku, w odległości zaledwie 65 lat świetlnych od czarnej dziury.

Źródło: NRAO