Wat er in een zwart gat gebeurt, blijft in een zwart gat, maar wat er gebeurt in de "invloedssfeer" van een zwart gat - het binnenste gebied van een melkwegstelsel waar de zwaartekracht van een zwart gat de dominante kracht is - is van intens belang voor astronomen en kan helpen bij het bepalen van de massa van een zwart gat en de impact ervan in zijn galactische omgeving.

Nieuwe waarnemingen met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) bieden een ongekend close-upbeeld van een wervelende schijf van koud interstellair gas die rond een superzwaar zwart gat draait. Deze schijf ligt in het midden van NGC 3258, een enorm elliptisch sterrenstelsel op ongeveer 100 miljoen lichtjaar van de aarde. Op basis van deze observaties, een team onder leiding van astronomen van de Texas A&M University en de University of California, Irvine, hebben vastgesteld dat dit zwarte gat maar liefst 2,25 miljard zonsmassa's weegt, het meest massieve zwarte gat dat tot nu toe met ALMA is gemeten.

Hoewel superzware zwarte gaten massa's kunnen hebben die miljoenen tot miljarden keren groter zijn dan die van de zon, ze zijn goed voor slechts een klein deel van de massa van een heel sterrenstelsel. Isoleren van de invloed van de zwaartekracht van een zwart gat van de sterren, interstellair gas, en donkere materie in het galactische centrum is een uitdaging en vereist zeer gevoelige waarnemingen op fenomenaal kleine schaal.

"Het observeren van de baanbeweging van materiaal zo dicht mogelijk bij een zwart gat is van vitaal belang bij het nauwkeurig bepalen van de massa van het zwarte gat." zei Benjamin Boizelle, een postdoctoraal onderzoeker aan de Texas A&M University en hoofdauteur van de studie die in de Astrofysisch tijdschrift . "Deze nieuwe waarnemingen van NGC 3258 tonen de verbazingwekkende kracht van ALMA om de rotatie van gasvormige schijven rond superzware zwarte gaten in verbluffend detail in kaart te brengen."

Astronomen gebruiken verschillende methoden om de massa van zwarte gaten te meten. In gigantische elliptische sterrenstelsels, de meeste metingen zijn afkomstig van waarnemingen van de baanbeweging van sterren rond het zwarte gat, genomen in zichtbaar of infrarood licht. Een andere techniek, het gebruik van natuurlijk voorkomende watermasers (radiogolflengtelasers) in gaswolken die rond zwarte gaten draaien, zorgt voor een hogere precisie, maar deze masers zijn zeer zeldzaam en worden bijna uitsluitend geassocieerd met spiraalstelsels met kleinere zwarte gaten.

Gedurende de afgelopen jaren, ALMA heeft een nieuwe methode ontwikkeld om zwarte gaten in gigantische elliptische sterrenstelsels te bestuderen. Ongeveer 10 procent van de elliptische sterrenstelsels bevat regelmatig roterende schijven van koude, dicht gas in hun centra. Deze schijven bevatten koolmonoxide (CO) gas, die kan worden waargenomen met millimetergolflengte radiotelescopen.

Door gebruik te maken van de Doppler-verschuiving van de emissie van CO-moleculen, astronomen kunnen de snelheden van in een baan om de aarde draaiende gaswolken meten, en ALMA maakt het mogelijk om de centra van sterrenstelsels waar de omloopsnelheden het hoogst zijn, op te lossen.

"Ons team onderzoekt al jaren met ALMA nabijgelegen elliptische sterrenstelsels om schijven van moleculair gas te vinden en te bestuderen die rond gigantische zwarte gaten draaien. " zei Aaron Barth van UC Irvine, een co-auteur van het onderzoek. "NGC 3258 is het beste doelwit dat we hebben gevonden, omdat we de rotatie van de schijf dichter bij het zwarte gat kunnen volgen dan in enig ander sterrenstelsel."

Net zoals de aarde sneller om de zon draait dan Pluto omdat ze een sterkere zwaartekracht ervaart, de binnenste delen van de NGC 3258-schijf draaien sneller in een baan dan de buitenste delen vanwege de zwaartekracht van het zwarte gat. De ALMA-gegevens laten zien dat de rotatiesnelheid van de schijf stijgt van 1 miljoen kilometer per uur aan de buitenrand, ongeveer 500 lichtjaar van het zwarte gat, tot ruim 3 miljoen kilometer per uur nabij het centrum van de schijf op een afstand van slechts 65 lichtjaar van het zwarte gat.

De onderzoekers bepaalden de massa van het zwarte gat door de rotatie van de schijf te modelleren, rekening houdend met de extra massa van de sterren in het centrale gebied van de melkweg en andere details zoals de enigszins kromgetrokken vorm van de gasvormige schijf. De duidelijke detectie van snelle rotatie stelde de onderzoekers in staat om de massa van het zwarte gat te bepalen met een precisie van meer dan één procent, hoewel ze een extra systematische onzekerheid van 12 procent in de meting schatten omdat de afstand tot NGC 3258 niet erg precies bekend is. Zelfs rekening houdend met de onzekere afstand, dit is een van de meest nauwkeurige massametingen voor elk zwart gat buiten het Melkwegstelsel.

"De volgende uitdaging is om meer voorbeelden te vinden van bijna perfecte roterende schijven zoals deze, zodat we deze methode kunnen toepassen om de massa van zwarte gaten te meten in een grotere steekproef van sterrenstelsels, " concludeerde Boizelle. "Aanvullende ALMA-waarnemingen die dit niveau van precisie bereiken, zullen ons helpen de groei van zowel sterrenstelsels als zwarte gaten over de leeftijd van het heelal beter te begrijpen."