3D中的M87星系的新视图有助于确定其核心黑洞的质量

从地球上看，巨大的椭圆星系M87 只是一个二维团块，尽管它看起来完全对称，因此是业余天文学家青睐的目标。

然而，一项对其中心超大质量黑洞——事件视界望远镜 (EHT) 于 2019 年拍摄到的第一个黑洞——周围恒星运动的高度详细的新分析表明，它并不像看起来那么完美。

事实上，M87 是高度不对称的，就像一个赤褐色的土豆。星系的最短轴约为其长轴长度的四分之三 (72.2%)，而中间轴约为长轴长度的八分之七 (84.5%)。

知道了这一点，加州大学伯克利分校的天文学家们能够高精度地确定银河系核心超大质量黑洞的质量，估计它的质量是太阳质量的 53.7 亿倍。相比之下，我们银河系的中心有一个质量仅为太阳质量 400 万倍的巨大黑洞。

他们还能够测量到银河系的自转速度，相对稳定的每秒 25 公里。有趣的是，它并没有围绕星系的任何主轴旋转，而是围绕与哈勃太空望远镜观察到的二维图像的长轴成 40 度角的轴旋转。

M87 星系的立体重建和更精确的中央黑洞质量数字可以帮助天体物理学家了解黑洞的一个特征，他们以前无法确定任何黑洞的特征：它的自旋。

“现在我们知道了 M87 中恒星的净旋转方向，并且有了黑洞的最新质量，我们可以将这些信息与 EHT 团队的惊人数据结合起来，以限制旋转，”Chung-Pei Ma 说，领导这项研究的加州大学伯克利分校天文学和物理学教授。“这可能指向黑洞旋转的某个方向和范围，这将是非常了不起的。我们正在研究这个。”

进一步分析以确定巨型椭圆星系(核心处有最大黑洞的星系)的真实形状，将有助于天文学家更好地了解大星系和大黑洞是如何形成的，并有助于天文学家更好地解释引力波信号。马领导了一项名为 MASSIVE 的超大质量黑洞的长期研究。

结果于 3 月 15 日在线发表在《天体物理学杂志快报》 ( ApJ Letters ) 上。

确定星系的 3D 形状

螺旋星系往往很小，旋转很快，呈煎饼状，而巨大的椭圆星系旋转缓慢，呈斑点状，其 3D 形状难以辨认。与大质量室女座星系团中最大的星系 M87 一样，巨大的椭圆星系是从许多其他星系的合并中形成的。这可能就是 M87 中央黑洞如此之大的原因——它同化了所有被它吞噬的星系的中央黑洞。银河系总共包含大约 1000 亿颗恒星，比银河系大 10 倍。

Ma、加州大学伯克利分校的研究生和主要作者 Emily Liepold 以及大学城德克萨斯 A&M 大学的 Jonelle Walsh 能够确定 M87 的 3D 形状，这要归功于安装在 Keck II 望远镜上的相对较新的精密仪器，Keck II 望远镜是双 10 望远镜之一米长的凯克望远镜位于夏威夷莫纳克亚火山顶上。称为凯克宇宙网络成像仪 (KCWI) 的积分场光谱仪使 Ma 和她的团队能够测量银河系中心恒星的光谱。

他们将望远镜指向银河系中 62 个相邻位置，完全覆盖了大约 70,000 光年宽的区域，并记录了该区域内恒星的光谱。观测跨越了中心区域——大约 3000 光年——那里的引力主要由超大质量黑洞控制，而外部则由暗物质控制。虽然望远镜无法分辨单个恒星——M87 距地球约 5300 万光年——但光谱可以揭示每张图像每个像素内的速度范围，这些信息足以计算它们绕轨道运行的引力质量。

“这有点像看着一群 1000 亿只蜜蜂在它们自己的快乐轨道上转来转去，”朱迪钱德勒韦伯物理科学教授马说。“虽然我们从远处观察它们并且无法辨别单个蜜蜂，但我们正在获得有关它们集体速度的非常详细的信息。这台光谱仪的超高灵敏度让我们能够如此全面地绘制出 M87。”

这是 KCWI 首次被用于重建遥远星系的几何结构，而 M87 是为数不多的 3D 结构已确定的巨型椭圆星系之一。Ma 的团队之前已经确定了另外两个巨型椭圆星系 NGC 1453 和 NGC 2693 的 3D 结构，它们都包含比 M87 更小的黑洞。

研究人员获取了 2020 年至 2022 年间凯克观测的四个晚上获得的数据，以及宇航局哈勃太空望远镜对 M87 的早期光度数据，并将它们与计算机模型预测的恒星如何围绕三轴星系中心移动进行了比较。数据的最佳拟合——轴比为 1 比 0.84 比 0.72——然后允许他们计算黑洞质量。

“凯克数据非常好，我们可以同时测量 M87 的固有形状和黑洞，”马说。“我们对银河系的实际 3D 形状进行了首次测量。而且由于我们允许蜜蜂群具有比球体或圆盘更一般的形状，

作者将手稿献给已故天文学家华莱士“沃尔”萨金特，他首先提出超大质量黑洞潜伏在 M87 的中心，并计算出其质量约为 50 亿个太阳质量。

“他的数字与我们的误差线相差无几，经过几十年的工作，看到这一点非常有趣，”马说，她认为萨金特在加州理工学院担任博士后时是一位导师。

2011 年发表的先前对 M87 中超大质量黑洞质量的估计是基于对黑洞周围恒星动力学运动的类似分析，尽管该研究假设该星系是轴对称的。这个数字是 61.4 亿个太阳质量，在新的更精确估计的误差范围内。四年前对黑洞进行成像时，EHT 科学家估计黑洞质量为 65 亿个太阳质量，比新数字高出 21%。

有趣的是，他们分析的星系体积内的暗物质比黑洞的暗物质要多得多——大约有 3880 亿个太阳质量，占 M87 总质量的 67%。尽管暗物质的身份仍然是个谜，但它约占宇宙质量的 85%。

Jonelle Walsh 在德克萨斯 A&M 的乔治·P. 和辛西娅·伍兹·米切尔基础物理与天文学研究所工作。这项工作由国家科学基金会 (AST-1817100、AST-2206307)、Heising-Simons 基金会和米勒科学研究基础研究所资助。