Галактики можуть містити сотні мільярдів зірок, але кожна з цих зірок спочатку виглядає як холодний щільний газ. Великі галактики, включаючи Чумацький Шлях, оточені великим резервуаром цього матеріалу, який називається навколозоряним середовищем або CGM.
CGM знаходиться приблизно в 10-20 разів далі, ніж видима частина галактики. Згодом частина цього газу може охолонути та потікати всередину, збиратися в щільні хмари та зрештою утворювати нові зірки. Оскільки зірки створюють планети та умови, необхідні для життя, CGM відіграє важливу роль у довгостроковій еволюції галактики.
Однак астрономи зіткнулися з постійною загадкою. Якщо галактики оточені такою кількістю потенційного зореутворюючого матеріалу, чому вони не утворюють більше зірок? Схоже, щось заважає газу охолонути і потрапити всередину.
Чорні дірні струмені можуть бути відсутньою частиною
Нове дослідження під керівництвом астрономів Санчаєта Бортакур з Університету штату Арізона (ASU) і Намрата Рой, який зараз працює в Науково-дослідному інституті Рамана (RRI), надає докази однієї можливої відповіді.
Дослідники виявили, що вузькі струмені надзвичайно гарячої плазми, що викидаються з чорних дір у центрах галактик, можуть впливати на газ за межами видимої галактики. Ці струмені можуть порушити резервуар матеріальних галактик, від яких залежить майбутня акреція, і потенційно вплинути на формування зірок. Висновки опубліковані в журналі Astrophysical Letters.
«Це інтригуючий результат, який розгадує давню таємницю того, як чорні діри впливають на галактики, їхні зірки та життя, яке ми знаємо!» Про це заявив доцент Школи дослідження Землі та космосу Бортакур. «Ця робота відкриває новий напрямок, далі з’ясовуючи тонкощі зв’язку між надмасивними чорними дірами, розташованими на трильйони миль від нашого місця, і тим, як ми сюди потрапили».
Маленькі об’єкти з великим ударом
Коли чорна діра активно споживає газ, вона може нагріти велику кількість енергії та навколишній матеріал. Незважаючи на свою надзвичайну потужність, ці чорні діри крихітні порівняно з галактиками, що їх приймають. Надмасивна чорна діра може бути порівнянна за розміром з нашою власною Сонячною системою, тоді як навколишня галактика може містити до 100 мільярдів сонячних систем.
«Загадкове питання: як щось таке маленьке може енергетично впливати на щось настільки масивне?» — сказав Рой, доцент професора RRI і колишній лауреат нагороди за докторські дослідження ASU.
Важко уявити масштаб цього впливу. Одне порівняння — мураха, яка залишає видимий слід за сотні чи тисячі кілометрів. Астрономи знали, що активні чорні діри виділяють величезну кількість енергії, але як саме ця енергія подорожує на величезні відстані та як вона змінюється по дорозі, залишається невідомим.
Нове дослідження надає докази того, як цей процес може працювати.
Пошук світла вздовж площин
Дослідники вивчали активні чорні діри, які створюють потужні струмені. Ці вузькі потоки гарячої плазми, що швидко рухається, можуть простягатися далеко за межі видимих меж галактик-господарів.
Команда шукала ознаки того, що струмені змінюють стан іонізації газу в навколишньому CGM. Зокрема, вони шукали слабке світіння, створене іонізованим воднем.
Цей сигнал надто слабкий, щоб його чітко виявити навколо галактики. Щоб подолати це обмеження, дослідники поєднали спостереження сотень галактик з активними струменями. Вони використовували дані з огляду Darkside Spectroscopy Instrument (DESI) і вимірювання радіоактивності з LOFAR Two-Meter Sky Survey (LoTSS).
Комбінуючи вимірювання, зроблені в осях струменів, команда шукала H-альфа, сигнатуру іонізованого водню.
Рой, Борткур та їх колеги виявили, що коли спостереження були усереднені з усіх напрямків навколо галактик, сигнал залишався слабким. Однак разом з радіоактивними струменями сигнал H-alpha став набагато сильнішим і легше виявити.
Ця закономірність показує, що газ не однаковий у всіх напрямках. Натомість найтвердіші уламки знаходяться вздовж траєкторії, яку пройшов літак. Замість того, щоб діяти як маяк, який освітлює все навколо, струмінь діє більше як сфокусований промінь, який змушує газ світитися на своєму шляху.
Джети чорної діри залишають чіткий підпис
Результати показують, що струмені чорних дір впливають на газ навколо галактик дуже спрямованим чином. Газ стає сильніше іонізованим і яскравішим у місці проходження через нього радіоактивних елементів.
Дослідники також виявили дві області, де світіння іонізованого водню було особливо яскравим. Один відбувається поблизу галактики, де струмінь вперше стикається з CGM. Інший відбувається набагато далі, біля зовнішнього краю CGM, де струмінь зберігає більшу частину своєї енергії.
Разом ці спостереження показують, як струмені можуть змінювати або освітлювати газ на великих відстанях від центру галактики. Змінюючи навколишнє середовище, струмені можуть впливати на те, як галактика росте та еволюціонує, включно з тим, чи продовжує вона утворювати зірки чи стає спокійною.
«Найбільше мене хвилює масштаб зв’язку», — сказав Рой. «Чорна діра неймовірно мала в порівнянні з галактикою, але її вплив може досягати сотень тисяч світлових років у зовнішніх межах галактики. Струмінь виносить енергію назовні, спалюючи газ на своєму шляху.
«Для перевірки команда також перевірила слід більш холодного газу через сигнатуру поглинання магнію. На відміну від спрямованого світіння в H-альфа, магній поширювався ізотропно та не мав жодного відношення до напрямку струменя. Це означає, що компонент холодного газу вже може існувати як резервуар навколо всіх гарячих сторін струменя. Він іонізує газ на своєму шляху, освітлює шлях і викликає його появу. у блиску H-альфа».
Як чорні діри можуть змінити майбутнє галактики
Отримані результати надають певні чіткі докази того, що чорні діри можуть впливати на галактики далеко від своїх центральних областей.
Нагріваючи, перемішуючи та руйнуючи газ у всьому CGM, струмені чорних дір можуть ускладнити охолодження цього матеріалу та повернення назад до галактики. Без цього холодного газу в галактиці буде менше палива для створення нових зірок.
Таким чином, струмені можуть виступати в якості гальма для зростання галактики. Згодом вони можуть допомогти підштовхнути галактику до більш спокійного стану з набагато меншою швидкістю утворення зірок.
Тому чорна діра «харчується» не тільки речовиною поблизу галактичного центру. Його вплив може поширитися на все галактичне середовище, потенційно змінивши довгострокову долю галактики.
Напрямок був ключем до відкриття
Попередні дослідження шукали подібні сигнали, не виявляючи їх. Нові відкриття свідчать про одну причину.
Сигнатуру H-alpha можна побачити лише тоді, коли астрономи досліджують газ саме в напрямку струменів. Якби дослідники припустили, що CGM поводився однаково в усіх напрямках, цей ефект можна було легко приховати.
Натомість результати показують, що струмені іонізують водень на своєму шляху, створюючи високонаправлене світіння H-альфа.
Відкриття також демонструє потужність поєднання великомасштабних оптичних і радіозйомок, таких як Dark Side Spectroscopy Survey (DESI) і LOFAR Two-Meter Sky Survey (LoTss). Додаючи безліч окремих слабких сигналів, астрономи можуть виявити закономірності, які інакше було б неможливо побачити.
Отримані дані тепер дають астрономам і теоретикам ще один спосіб зрозуміти, як струмені чорних дір взаємодіють з галактиками та впливають на їх еволюцію.
Співавторами є Тімоті Хекман з Університету Джонса Гопкінса та Танмай Сінгх з Університету штату Арізона.
Ця робота була підтримана NASA, STScI та NSF.
