[论文解读] Evidence for a 3 x 10^8 solar mass black hole in NGC 7052 from HST observations of the nuclear gas disk

Roeland P. van der Marel, Frank C. van den Bosch|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 1998

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 35被引用 85

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜（HST）对NGC 7052的核区气体盘进行了观测，采用WFPC2成像和FOS光谱测量电离气体的动力学特性。数据揭示了陡峭上升的旋转曲线以及向中心递增的速度 dispersion，这些特征最合理的解释是中心存在一个质量为$3.3^{+2.3}_{-1.3} \times 10^8\,M_\odot$的黑洞，为该射电噪椭圆星系中存在超大质量黑洞提供了有力证据。

ABSTRACT

We present an HST study of the nuclear region of the E4 radio galaxy NGC 7052, which has a nuclear disk of dust and gas. The WFPC2 was used to obtain B, V and I broad-band images and an H_alpha+[NII] narrow-band image. The FOS was used to obtain H_alpha+[NII] spectra along the major axis, using a 0.26 arcsec diameter circular aperture. The observed rotation velocity of the ionized gas is V = 155 +/- 17 km/s at r = 0.2 arcsec from the nucleus. The Gaussian dispersion of the emission lines increases from sigma = 70 km/s at r=1 arcsec, to sigma = 400 km/s on the nucleus. To interpret the gas kinematics we construct axisymmetric models in which the gas and dust reside in a disk in the equatorial plane of the stellar body. It is assumed that the gas moves on circular orbits, with an intrinsic velocity dispersion due to turbulence. The circular velocity is calculated from the combined gravitational potential of the stars and a possible nuclear black hole (BH). Models without a BH predict a rotation curve that is shallower than observed (V_pred = 92 km/s at r = 0.2 arcsec), and are ruled out at > 99% confidence. Models with a BH of 3.3^{+2.3}_{-1.3} x 10^8 solar masses provide an acceptable fit. NGC 7052 can be added to the list of active galaxies for which HST spectra of a nuclear gas disk provide evidence for the presence of a central BH. The BH masses inferred for M87, M84, NGC 6251, NGC 4261 and NGC 7052 span a range of a factor 10, with NGC 7052 falling on the low end. By contrast, the luminosities of these galaxies are identical to within 25%. Any relation between BH mass and luminosity, as suggested by independent arguments, must therefore have a scatter of at least a factor 10.

研究动机与目标

• 利用高分辨率HST数据，确定E4型射电星系NGC 7052中心黑洞的质量。
• 研究核区气体盘的动力学特性，包括旋转速度和速度dispersion分布。
• 检验中心黑洞是否为解释观测到的气体动力学，特别是谱线宽度向核区急剧上升现象所必需。
• 通过包含恒星和黑洞引力势的轴对称动力学模型，约束黑洞质量。
• 为越来越多具有直接动力学证据的超大质量黑洞星系样本做出贡献。

提出的方法

• HST/WFPC2获取了$B$、$V$、$I$宽波段以及H$\alpha$+[NII]窄波段图像，用于绘制恒星面亮度、尘埃消光和电离气体流量分布。
• 弱对象光谱仪（FOS）在光度轴上六个位置使用0.26"圆形孔径获取H$\alpha$+[NII]光谱，以测量气体旋转速度和速度dispersion。
• 构建了轴对称动力学模型，假设气体在倾角为70°的盘面上作圆周运动，引力势来自恒星和中心黑洞。
• 观测到的谱线宽度向核区增加，要求在中心0.1"区域内存在>500 km s⁻¹的非引力速度dispersion（湍流）。
• 通过将预测的旋转曲线和谱线轮廓与观测值对比，测试了包含和不包含中心黑洞的模型。
• 最佳拟合模型中，黑洞质量为$3.3^{+2.3}_{-1.3} \times 10^8\,M_\odot$，成功再现了观测到的发射线轮廓，包括更窄的峰值和更宽的翼部。

实验结果

研究问题

• RQ1 NGC 7052中心黑洞的质量是多少，该质量是基于其核区气体盘动力学特性推断得出的？
• RQ2 观测到的速度dispersion向核区上升是否必须由中心黑洞引起，还是可由恒星动力学单独解释？
• RQ3 包含黑洞的轴对称模型在多大程度上能重现观测到的发射线轮廓和旋转曲线？
• RQ4 考虑到NGC 7052的光度与其他已知存在黑洞的星系相似，该黑洞质量在M–L关系中的意义是什么？
• RQ5 HST数据能否以高置信度排除不包含中心黑洞的模型？

主要发现

• 在距离核区0.2"处测得的旋转速度为$155 \pm 17$ km s⁻¹，显著高于无黑洞模型预测的$92$ km s⁻¹。
• 电离气体的速度dispersion从1"处的$\approx 70$ km s⁻¹增加至核区的$\approx 400$ km s⁻¹，表明中心区域存在强烈的非引力运动。
• 无中心黑洞的模型在99%以上置信度下被排除，因为它们无法再现旋转速度的陡峭上升。
• 最佳拟合黑洞质量为$3.3^{+2.3}_{-1.3} \times 10^8\,M_\odot$，该模型能充分再现观测到的发射线轮廓，包括不对称的翼部。
• 中心区域必须具有超过$500$ km s⁻¹的湍流速度dispersion（在0.1"范围内），才能匹配观测到的谱线展宽。
• NGC 7052加入了越来越多具有直接动力学证据的超大质量黑洞星系行列，其黑洞质量处于与类似星系观测到的10倍范围的低端。