Högupplösta observationer med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) avbildade en roterande dammig gastorus runt ett aktivt supermassivt svart hål. Förekomsten av sådana roterande munkar-formade strukturer föreslogs först för decennier sedan, men det är första gången man har bekräftats så tydligt. Detta är ett viktigt steg för att förstå samutvecklingen av supermassiva svarta hål och deras värdgalaxer.

Nästan alla galaxer har dolda monstruösa svarta hål i sina centra. Forskare har länge vetat att ju mer massiv galaxen är, desto mer massivt är det centrala svarta hålet. Detta låter rimligt till en början, men värdgalaxer är 10 miljarder gånger större än de centrala svarta hålen; det borde vara svårt för två objekt av så vitt skilda skalor att direkt påverka varandra. Så hur kunde en sådan relation utvecklas?

Syftar på att lösa detta skumma problem, ett team av astronomer använde ALMAs höga upplösning för att observera mitten av spiralgalaxen M77. Den centrala regionen av M77 är en "aktiv galaktisk kärna, " eller AGN, vilket betyder att materia kraftigt faller mot det centrala supermassiva svarta hålet och avger intensivt ljus. AGN kan starkt påverka den omgivande miljön, därför är de viktiga objekt för att lösa mysteriet med samutvecklingen av galaxer och svarta hål.

Teamet avbildade området runt det supermassiva svarta hålet i M77 och löste en kompakt gasformig struktur med en radie på 20 ljusår. Och, astronomerna fann att den kompakta strukturen roterar runt det svarta hålet, som förväntat.

"För att tolka olika observationsegenskaper hos AGN, astronomer har antagit roterande munkliknande strukturer av dammig gas runt aktiva supermassiva svarta hål. Detta kallas den "förenade modellen" av AGN, " förklarade Masatoshi Imanishi　(National Astronomical Observatory of Japan), huvudförfattaren på ett papper publicerat i Astrophysical Journal Letters . "Dock, den dammiga gasformiga munken är mycket liten till utseendet. Med den höga upplösningen av ALMA, nu kan vi direkt se strukturen."

Många astronomer har observerat mitten av M77 tidigare, men aldrig har gasmunkens rotation runt det svarta hålet setts så tydligt. Förutom ALMAs överlägsna upplösning, valet av molekylära emissionslinjer att observera var nyckeln till att avslöja strukturen. Teamet observerade specifika mikrovågsutsläpp från vätecyanidmolekyler (HCN) och formyljoner (HCO+). Dessa molekyler avger mikrovågor endast i tät gas, medan den mer frekvent observerade kolmonoxiden (CO) avger mikrovågor under en mängd olika förhållanden. Torus runt AGN antas vara mycket tät, och lagets strategi var helt i mål.

"Tidigare observationer har avslöjat öst-västlig förlängning av den dammiga gasformiga torusen. Dynamiken som avslöjas från våra ALMA-data överensstämmer exakt med den förväntade rotationsorienteringen för torusen, " sa Imanishi.

Intressant, fördelningen av gas runt det supermassiva svarta hålet är mycket mer komplicerad än vad en enkel enhetlig modell antyder. Torus verkar ha en asymmetri och rotationen följer inte bara det svarta hålets gravitation utan innehåller också mycket slumpmässig rörelse. Dessa fakta kan tyda på att AGN hade en våldsam historia, möjligen inklusive en sammanslagning med en liten galax. Ändå, identifieringen av den roterande torusen är ett viktigt steg.

Vintergatans galax, där vi bor, har också ett supermassivt svart hål i mitten. Detta svarta hål är, dock, i ett mycket tyst tillstånd. Endast en liten mängd gas ansamlas på den. Därför, att undersöka en AGN i detalj, astronomer måste observera mitten av avlägsna galaxer. M77 är en av de närmaste AGN och ett lämpligt objekt för att titta in i centrum i detalj.