O que acontece dentro de um buraco negro fica dentro de um buraco negro, mas o que acontece dentro da "esfera de influência" de um buraco negro - a região mais interna de uma galáxia onde a gravidade de um buraco negro é a força dominante - é de grande interesse para os astrônomos e pode ajudar a determinar a massa de um buraco negro, bem como seu impacto em sua vizinhança galáctica.

Novas observações com o Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) fornecem uma visão aproximada sem precedentes de um disco de gás interestelar frio girando em torno de um buraco negro supermassivo. Este disco está no centro de NGC 3258, uma enorme galáxia elíptica a cerca de 100 milhões de anos-luz da Terra. Com base nessas observações, uma equipe liderada por astrônomos da Texas A&M University e da University of California, Irvine, determinaram que este buraco negro pesa impressionantes 2,25 bilhões de massas solares, o buraco negro mais massivo medido com ALMA até à data.

Embora os buracos negros supermassivos possam ter massas que são milhões a bilhões de vezes a do Sol, eles representam apenas uma pequena fração da massa de uma galáxia inteira. Isolando a influência da gravidade de um buraco negro das estrelas, gás interestelar, e a matéria escura no centro da galáxia é um desafio e requer observações altamente sensíveis em escalas incrivelmente pequenas.

"Observar o movimento orbital do material o mais próximo possível de um buraco negro é de vital importância para determinar com precisão a massa do buraco negro." disse Benjamin Boizelle, um pesquisador de pós-doutorado na Texas A&M University e principal autor do estudo que aparece no Astrophysical Journal . "Estas novas observações de NGC 3258 demonstram o incrível poder do ALMA para mapear a rotação de discos gasosos em torno de buracos negros supermassivos com detalhes impressionantes."

Os astrônomos usam uma variedade de métodos para medir as massas dos buracos negros. Em galáxias elípticas gigantes, a maioria das medições vem de observações do movimento orbital das estrelas ao redor do buraco negro, tomadas em luz visível ou infravermelha. Outra técnica, usando masers de água que ocorrem naturalmente (lasers de comprimento de onda de rádio) em nuvens de gás orbitando em torno de buracos negros, fornece maior precisão, mas esses masers são muito raros e estão associados quase exclusivamente a galáxias espirais com buracos negros menores.

Durante os últimos anos, O ALMA foi pioneiro em um novo método para estudar buracos negros em galáxias elípticas gigantes. Cerca de 10 por cento das galáxias elípticas contêm discos de frio em rotação regular, gás denso em seus centros. Esses discos contêm monóxido de carbono (CO), que podem ser observados com radiotelescópios de comprimento de onda milimétrica.

Usando o deslocamento Doppler da emissão das moléculas de CO, astrônomos podem medir as velocidades de nuvens de gás em órbita, e o ALMA torna possível resolver os próprios centros de galáxias onde as velocidades orbitais são mais altas.

"Nossa equipe tem pesquisado galáxias elípticas próximas com o ALMA por vários anos para encontrar e estudar discos de gás molecular girando em torno de buracos negros gigantes, "disse Aaron Barth da UC Irvine, um co-autor do estudo. "NGC 3258 é o melhor alvo que encontramos, porque somos capazes de rastrear a rotação do disco mais perto do buraco negro do que em qualquer outra galáxia. "

Assim como a Terra orbita ao redor do Sol mais rápido do que Plutão porque experimenta uma força gravitacional mais forte, as regiões internas do disco NGC 3258 orbitam mais rápido do que as partes externas devido à gravidade do buraco negro. Os dados do ALMA mostram que a velocidade de rotação do disco sobe de 1 milhão de quilômetros por hora em sua borda externa, cerca de 500 anos-luz do buraco negro, a bem mais de 3 milhões de quilômetros por hora perto do centro do disco, a uma distância de apenas 65 anos-luz do buraco negro.

Os pesquisadores determinaram a massa do buraco negro modelando a rotação do disco, representando a massa adicional das estrelas na região central da galáxia e outros detalhes, como a forma ligeiramente deformada do disco gasoso. A detecção clara da rotação rápida permitiu aos pesquisadores determinar a massa do buraco negro com uma precisão melhor do que um por cento, embora eles estimem uma incerteza sistemática adicional de 12 por cento na medição porque a distância até NGC 3258 não é conhecida com muita precisão. Mesmo levando em consideração a distância incerta, esta é uma das medições de massa mais precisas para qualquer buraco negro fora da galáxia da Via Láctea.

"O próximo desafio é encontrar mais exemplos de discos rotativos quase perfeitos como este para que possamos aplicar este método para medir as massas dos buracos negros em uma amostra maior de galáxias, "concluiu Boizelle." As observações adicionais do ALMA que alcançam este nível de precisão nos ajudarão a entender melhor o crescimento das galáxias e dos buracos negros ao longo da idade do universo. "