Om astronomer vill lära sig om hur supermassiva svarta hål bildas, de måste börja smått – riktigt smått, astronomiskt sett.

Faktiskt, ett team inklusive University of Michigan astronomen Elena Gallo har upptäckt att ett svart hål i mitten av en närliggande dvärggalax, kallas NGC 4395, är cirka 40 gånger mindre än man tidigare trott. Deras resultat publiceras i tidskriften Natur astronomi .

För närvarande, astronomer tror att supermassiva svarta hål sitter i mitten av varje galax lika massiv som eller större än Vintergatan. Men de är också nyfikna på svarta hål i mindre galaxer som NGC 4395. Att känna till massan av det svarta hålet i mitten av NGC 4395 – och att kunna mäta den exakt – kan hjälpa astronomer att tillämpa dessa tekniker på andra svarta hål.

"Frågan är fortfarande öppen för små galaxer eller dvärggalaxer:Har dessa galaxer svarta hål, och om de gör det, skalar de på samma sätt som supermassiva svarta hål?" sa Gallo. "Att svara på dessa frågor kan hjälpa oss att förstå själva mekanismen genom vilken dessa monstersvarta hål sattes ihop när universum var i sin linda."

För att bestämma massan av NGC:s svarta hål, Gallo och hennes forskarkollegor använde efterklangskartläggning. Den här tekniken mäter massa genom att övervaka strålning som kastas ut av vad som kallas en ansamlingsskiva runt det svarta hålet. En ansamlingsskiva är en massa av materia som samlas upp av gravitationskraften från svarta hål.

När strålning färdas utåt från denna ansamlingsskiva, den passerar genom ett annat moln av material längre ut från det svarta hålet som är mer diffust än ansamlingsskivan. Detta område kallas bredlinjeområdet.

När strålningen träffar gas i bredlinjeområdet, det gör att atomer i den genomgår en övergång. Detta betyder att strålningen stöter ut en elektron ur skalet på en väteatom, till exempel, får atomen att uppta en mer energisk nivå av atomen. Efter att strålningen passerat, atomen sätter sig tillbaka i sitt tidigare tillstånd. Astronomer kan avbilda denna övergång, som ser ut som en blixt av ljusstyrka.

Genom att mäta hur lång tid det tar för ackretionsskivans strålning att träffa bredlinjeområdet och orsaka dessa blixtar, astronomerna kan uppskatta hur långt bredlinjeområdet är från det svarta hålet. Med hjälp av denna information, de kan sedan beräkna det svarta hålets massa.

"Avståndet tros bero på det svarta hålets massa, " sa Gallo. "Ju större svarta hålet är, ju större avstånd och desto längre förväntar du dig för att ljuset ska sändas ut från ackretionsskivan för att träffa bredlinjen."

Med hjälp av data från MDM-observatoriet, astronomerna beräknade att det tog cirka 83 minuter, ge eller ta 14 minuter, för strålning att nå bredlinjeområdet från ackretionsskivan. För att beräkna det svarta hålets massa, de var också tvungna att mäta den inneboende hastigheten för bredlinjeområdet, vilket är den hastighet med vilken regionmolnet rör sig under påverkan av det svarta hålets gravitation. Att göra detta, de tog ett högkvalitativt spektrum med GMOS-spektrometern på GEMINI North-teleskopet.

Genom att känna till detta nummer, hastigheten för bredlinjeområdet, ljusets hastighet och det som kallas gravitationskonstanten, eller ett mått på gravitationskraften, astronomerna kunde fastställa att det svarta hålets massa var cirka 10, 000 gånger vår sols massa — cirka 40 gånger lättare än man tidigare trott. Detta är också det minsta svarta hålet som hittats via efterklangskartläggning.

"Denna regim av dvärggalaxer är till stor del outforskad när det kommer till egenskaperna hos deras nukleära svarta hål, " sa Gallo. "Vi vet inte ens om varje galax har ett svart hål. Detta lägger till en ny medlem till familjen av svarta hål som vi har information om."

Denna information kan också hjälpa astronomer att förstå hur mycket större svarta hål formar galaxerna de upptar. Ett fält som kallas svarthålsfeedback utforskar hur svarta hål påverkar egenskaperna hos deras värdgalaxer i mycket större skala än vad deras gravitationskraft borde nå.

"Det finns ingen anledning till varför stjärnor som lever i storleksordningar större än området där det svarta hålets gravitation dominerar ens ska veta att det finns ett svart hål i deras galax, men på något sätt gör de det, " sa Gallo. "Svarta hål formar på något sätt galaxen de lever i i mycket stor skala, och eftersom vi inte vet mycket om mindre galaxer med sina mindre svarta hål, vi vet inte om det är sant hela vägen ner. Med denna mätning, vi kan lägga till mer information till detta förhållande."

Detta resultat kom från ett partnerskap mellan U-M Astronomy och Institutionen för fysik och astronomi vid Seoul National University. Observationer gjordes vid GEMINI North-observatoriet på Hawaii och MDM-observatoriet i Arizona. GEMINI drivs av ett partnerskap mellan USA, Kanada, Chile, Brasilien, Argentina och Korea.