Ciò che accade all'interno di un buco nero rimane all'interno di un buco nero, ma ciò che accade all'interno della "sfera di influenza" di un buco nero, la regione più interna di una galassia in cui la gravità di un buco nero è la forza dominante, è di grande interesse per gli astronomi e può aiutare a determinare la massa di un buco nero e il suo impatto sul suo vicinato galattico.

Nuove osservazioni con l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) forniscono una vista ravvicinata senza precedenti di un disco vorticoso di gas interstellare freddo che ruota attorno a un buco nero supermassiccio. Questo disco si trova al centro di NGC 3258, una massiccia galassia ellittica a circa 100 milioni di anni luce dalla Terra. Sulla base di queste osservazioni, un team guidato da astronomi della Texas A&M University e dell'Università della California, Irvine, hanno determinato che questo buco nero pesa ben 2,25 miliardi di masse solari, il buco nero più massiccio misurato con ALMA fino ad oggi.

Sebbene i buchi neri supermassicci possano avere masse da milioni a miliardi di volte quella del Sole, rappresentano solo una piccola frazione della massa di un'intera galassia. Isolando l'influenza della gravità di un buco nero dalle stelle, gas interstellare, e la materia oscura nel centro galattico è impegnativa e richiede osservazioni altamente sensibili su scale straordinariamente piccole.

"Osservare il movimento orbitale del materiale il più vicino possibile a un buco nero è di vitale importanza quando si determina con precisione la massa del buco nero". disse Benjamin Boizelle, un ricercatore post-dottorato presso la Texas A&M University e autore principale dello studio che appare nel Giornale Astrofisico . "Queste nuove osservazioni di NGC 3258 dimostrano l'incredibile potere di ALMA di mappare la rotazione dei dischi gassosi attorno ai buchi neri supermassicci con dettagli sorprendenti".

Gli astronomi usano una varietà di metodi per misurare le masse dei buchi neri. Nelle galassie ellittiche giganti, la maggior parte delle misurazioni proviene da osservazioni del moto orbitale delle stelle attorno al buco nero, prese in luce visibile o infrarossa. Un'altra tecnica, utilizzando i maser d'acqua naturali (laser a lunghezza d'onda radio) in nubi di gas in orbita attorno ai buchi neri, fornisce una maggiore precisione, ma questi maser sono molto rari e sono associati quasi esclusivamente a galassie a spirale aventi buchi neri più piccoli.

Negli ultimi anni, ALMA ha aperto la strada a un nuovo metodo per studiare i buchi neri nelle galassie ellittiche giganti. Circa il 10% delle galassie ellittiche contiene dischi di freddo rotanti regolarmente, gas denso al loro centro. Questi dischi contengono monossido di carbonio (CO) gas, che può essere osservato con radiotelescopi a lunghezza d'onda millimetrica.

Utilizzando lo spostamento Doppler dell'emissione dalle molecole di CO, gli astronomi possono misurare le velocità delle nuvole di gas orbitanti, e ALMA permette di risolvere proprio i centri delle galassie dove le velocità orbitali sono più alte.

"Il nostro team ha esaminato le galassie ellittiche vicine con ALMA per diversi anni per trovare e studiare dischi di gas molecolare che ruotano attorno a buchi neri giganti, " ha detto Aaron Barth di UC Irvine, coautore dello studio. "NGC 3258 è il miglior obiettivo che abbiamo trovato, perché siamo in grado di tracciare la rotazione del disco più vicino al buco nero che in qualsiasi altra galassia".

Proprio come la Terra orbita intorno al Sole più velocemente di Plutone perché sperimenta una forza gravitazionale più forte, le regioni interne del disco NGC 3258 orbitano più velocemente delle parti esterne a causa della gravità del buco nero. I dati ALMA mostrano che la velocità di rotazione del disco aumenta da 1 milione di chilometri all'ora al suo bordo esterno, a circa 500 anni luce dal buco nero, a ben oltre 3 milioni di chilometri all'ora vicino al centro del disco a una distanza di soli 65 anni luce dal buco nero.

I ricercatori hanno determinato la massa del buco nero modellando la rotazione del disco, tenendo conto della massa aggiuntiva delle stelle nella regione centrale della galassia e di altri dettagli come la forma leggermente deformata del disco gassoso. La chiara rilevazione della rotazione rapida ha permesso ai ricercatori di determinare la massa del buco nero con una precisione migliore dell'uno percento, sebbene stimino un'ulteriore sistematica incertezza del 12% nella misurazione perché la distanza da NGC 3258 non è nota in modo molto preciso. Pur tenendo conto della distanza incerta, questa è una delle misurazioni di massa più precise per qualsiasi buco nero al di fuori della galassia della Via Lattea.

"La prossima sfida è trovare altri esempi di dischi rotanti quasi perfetti come questo in modo da poter applicare questo metodo per misurare le masse dei buchi neri in un campione più ampio di galassie, " ha concluso Boizelle. "Ulteriori osservazioni di ALMA che raggiungono questo livello di precisione ci aiuteranno a comprendere meglio la crescita sia delle galassie che dei buchi neri nell'età dell'universo".