天文學傢用阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）進行的新觀測提供瞭一個前所未有的特寫視角，即圍繞超大質量黑洞旋轉的冷星際氣體漩渦盤。這個圓盤位於NGC 3258的中心，這是一個距離地球約1億光年的巨大橢圓星系。基於這些觀測，由來自德克薩斯A&M大學和加州大學爾灣分校的天文學傢領導的團隊已經確定，這個黑洞的重量達到瞭驚人的22.5億個太陽質量，是迄今為止用ALMA測量到的最大規模的黑洞。
盡管超大質量黑洞的質量可能是太陽的幾百萬到幾十億倍，但它們隻占整個星系質量的一小部分。將黑洞的引力與星系中心的恒星、星際氣體和暗物質的影響隔離開來是一項挑戰，需要在非常小的尺度上進行高度敏感的觀測。
德克薩斯A&M大學的博士後研究員、發表在《天體物理學雜志》上的這項研究的主要作者Benjamin Boizelle說：“在準確確定黑洞的質量時，觀察盡可能靠近黑洞的物質的軌道運動是至關重要的。對NGC 3258的這些新觀測表明，ALMA具有驚人的力量，能夠以驚人的細節繪制超大質量黑洞周圍氣態盤的旋轉圖。”
天文學傢使用各種方法來測量黑洞的質量。在巨大的橢圓星系中，大多數測量結果來自於對黑洞周圍恒星的軌道運動的觀測，這些觀測是以可見光或紅外光進行的。另一種技術，即利用圍繞黑洞運行的氣體雲中自然產生的水蒸氣（無線電波長激光），可以提供更高的精度，但這些水蒸氣非常罕見，幾乎隻與具有較小黑洞的螺旋星系有關。
在過去的幾年裡，ALMA開創瞭一種新方法來研究巨型橢圓星系中的黑洞。大約10%的橢圓星系在其中心包含有規律旋轉的冷而密集的氣體盤。這些盤含有一氧化碳（CO）氣體，可以用毫米波長的射電望遠鏡來觀察。通過利用CO分子發射的多普勒位移，天文學傢可以測量雲層的速度，而ALMA使得解決星系中心的軌道速度最高的問題成為可能。
該研究的共同作者、加州大學歐文分校的Aaron Barth說：“我們的團隊幾年來一直在用ALMA測量附近的橢圓星系，以尋找和研究圍繞巨型黑洞旋轉的分子氣體盤。 NGC 3258是我們發現的最好的目標，因為我們能夠追蹤到比其他星系更接近黑洞的圓盤旋轉。”
正如地球圍繞太陽運行的速度比冥王星快，因為它經歷瞭更強的引力，由於黑洞的引力，NGC 3258圓盤的內部區域比外部區域的運行速度快。ALMA的數據顯示，圓盤的旋轉速度從距離黑洞約500光年的外緣的每小時100萬公裡上升到距離黑洞僅65光年的圓盤中心附近的每小時超300萬公裡。
研究人員通過模擬圓盤的旋轉來確定黑洞的質量，同時考慮到星系中心區域恒星的額外質量和其他細節，如氣態圓盤的輕微扭曲形狀。對快速旋轉的清晰檢測使研究人員能夠以優於1%的精度確定黑洞的質量，盡管他們估計在測量中還有12%的系統不確定性，因為與NGC 3258的距離並不十分精確。即使考慮到不確定的距離，這也是對銀河系以外的任何黑洞最高度精確的質量測量之一。
Boizelle總結說：“下一個挑戰是找到更多像這樣的接近完美的旋轉盤的例子，這樣我們就可以應用這種方法來測量更大的星系樣本中的黑洞質量。達到這種精度水平的其他ALMA觀測將幫助我們更好地瞭解星系和黑洞在整個宇宙時代的增長情況。”
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