Det som händer inuti ett svart hål stannar i ett svart hål, men vad som händer inuti ett svart håls "inflytandesfär" - det innersta området i en galax där ett svart håls gravitation är den dominerande kraften - är av intensivt intresse för astronomer och kan hjälpa till att bestämma massan av ett svart hål såväl som dess inverkan på dess galaktiska grannskap.

Nya observationer med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ger en aldrig tidigare skådad närbild av en virvlande skiva av kall interstellär gas som roterar runt ett supermassivt svart hål. Denna skiva ligger i mitten av NGC 3258, en massiv elliptisk galax cirka 100 miljoner ljusår från jorden. Baserat på dessa observationer, ett team ledd av astronomer från Texas A&M University och University of California, Irvine, har bestämt att detta svarta hål väger häpnadsväckande 2,25 miljarder solmassor, det mest massiva svarta hålet som hittills uppmätts med ALMA.

Även om supermassiva svarta hål kan ha massor som är miljoner till miljarder gånger solens, de står för bara en liten del av massan av en hel galax. Isolera påverkan av ett svart håls gravitation från stjärnorna, interstellär gas, och mörk materia i det galaktiska centrumet är utmanande och kräver mycket känsliga observationer på fenomenalt små skalor.

"Att observera materialets omloppsrörelse så nära ett svart hål som möjligt är mycket viktigt för att exakt bestämma det svarta hålets massa." sa Benjamin Boizelle, en postdoktor vid Texas A&M University och huvudförfattare till studien som visas i Astrofysisk tidskrift . "Dessa nya observationer av NGC 3258 visar ALMA:s fantastiska kraft att kartlägga rotationen av gasformiga skivor runt supermassiva svarta hål i fantastisk detalj."

Astronomer använder en mängd olika metoder för att mäta svarta håls massor. I gigantiska elliptiska galaxer, de flesta mätningar kommer från observationer av stjärnors omloppsrörelse runt det svarta hålet, tagna i synligt eller infrarött ljus. En annan teknik, använda naturligt förekommande vattenmasrar (radiovåglängdslasrar) i gasmoln som kretsar runt svarta hål, ger högre precision, men dessa masrar är mycket sällsynta och förknippas nästan uteslutande med spiralgalaxer som har mindre svarta hål.

Under de senaste åren har ALMA har banat väg för en ny metod för att studera svarta hål i jättelika elliptiska galaxer. Cirka 10 procent av elliptiska galaxer innehåller regelbundet roterande skivor av kyla, tät gas i deras centra. Dessa skivor innehåller kolmonoxid (CO) gas, som kan observeras med millimetervåglängdsradioteleskop.

Genom att använda dopplerförskjutningen av emissionen från CO-molekyler, astronomer kan mäta hastigheterna för kretsande gasmoln, och ALMA gör det möjligt att lösa galaxernas centrum där omloppshastigheterna är högst.

"Vårt team har undersökt närliggande elliptiska galaxer med ALMA i flera år för att hitta och studera skivor av molekylär gas som roterar runt gigantiska svarta hål, " sa Aaron Barth från UC Irvine, en medförfattare till studien. "NGC 3258 är det bästa målet vi har hittat, eftersom vi kan spåra skivans rotation närmare det svarta hålet än i någon annan galax."

Precis som jorden kretsar runt solen snabbare än Pluto gör eftersom den upplever en starkare gravitationskraft, de inre delarna av skivan NGC 3258 kretsar snabbare än de yttre delarna på grund av det svarta hålets gravitation. ALMA-data visar att skivans rotationshastighet stiger från 1 miljon kilometer i timmen vid dess ytterkant, cirka 500 ljusår från det svarta hålet, till långt över 3 miljoner kilometer i timmen nära skivans centrum på ett avstånd av bara 65 ljusår från det svarta hålet.

Forskarna bestämde det svarta hålets massa genom att modellera skivans rotation, står för den extra massan av stjärnorna i galaxens centrala område och andra detaljer som den något skeva formen på den gasformiga skivan. Den tydliga upptäckten av snabb rotation gjorde det möjligt för forskarna att bestämma det svarta hålets massa med en precision bättre än en procent, även om de uppskattar ytterligare en systematisk 12 procents osäkerhet i mätningen eftersom avståndet till NGC 3258 inte är känt särskilt exakt. Även med tanke på det osäkra avståndet, detta är en av de mest exakta massmätningarna för något svart hål utanför Vintergatans galax.

"Nästa utmaning är att hitta fler exempel på nästan perfekta roterande skivor som den här så att vi kan tillämpa den här metoden för att mäta svarta håls massor i ett större urval av galaxer, ", avslutade Boizelle. "Ytterligare ALMA-observationer som når denna precisionsnivå kommer att hjälpa oss att bättre förstå tillväxten av både galaxer och svarta hål över universums ålder."