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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