Сверхмассивная черная дыра могла быть причиной подавления звездообразования

Фото из открытых источников

В некоторых из самых массивных галактик во Вселенной, по-видимому, отсутствует большое количество звёзд. Это кажется необычным, поскольку рождение звёзд — одна из главных задач галактики по мере её роста. По словам Синь Синди Сян из Мичиганского университета, что-то подавляет или гасит рождение звёзд в этих галактиках, и этим виновником могут быть чёрные дыры.

Сян с группой исследователей использовали рентгеновский телескоп XRISM (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission) для изучения выбросов из аккреционных дисков черных дыр. Такие области ярко светятся в рентгеновском диапазоне из-за невероятно высоких энергий, расходуемых веществом в дисках. В зависимости от силы ветров, исходящих из этой области, они могут играть очень важную роль в процессе звездообразования. Однако для понимания происходящего команде были необходимы спектральные исследования излучения черной дыры с чрезвычайно высоким разрешением. 

«Ранее, без XRISM, мы могли видеть только общие особенности выбросов», — говорит Сян. «Но для ответа на важные вопросы необходимо уметь различать тонкие детали. Какова их структура и геометрия? Как и когда запускаются ветры?»

Сверхмассивные черные дыры, как и их меньшие аналоги (черные дыры звездной массы), поглощают вещество, которое попадает в их сильное гравитационное поле. Это включает в себя свет, а также газ, пыль и все, что больше (например, звезды), что имеет тенденцию приближаться слишком близко. Вещество закручивается в аккреционном диске, который формируется вокруг черной дыры. Диск, особенно вокруг сверхмассивной черной дыры, представляет собой невероятно энергичную среду. Активность в нем смешивает частицы газа и пыли, и все это пронизано магнитными полями. Все это движение создает трение, а гравитация также способствует распылению вещества.

Если энергия достаточно высока, черные дыры могут даже отрывать электроны от атомов, создавая очень горячую и яркую плазму. Подобно бурлящему котлу, этот диск также может выбрасывать вещество, создавая мощные ветры. Если ветры достаточно сильны, они могут уносить газ из близлежащих областей. К сожалению, именно этот газ необходим галактикам для образования новых звезд. Поэтому черные дыры могут оказывать довольно пагубное воздействие на активность звездообразования в близлежащих областях.

Сян с командой использовали телескоп XRISM для изучения активности вблизи сверхмассивной черной дыры в центре галактики NGC 4151. Он предоставил данные высокого разрешения о ветрах, исходящих из аккреционного диска в центре этого активного галактического ядра (АГЯ), и измерил их характеристики. АГЯ обычно возникают во время фазы роста сверхмассивной черной дыры, и их энергетическая активность формирует эволюцию галактики-хозяина. Они растут, поглощая газ, а также влияя на окружающие газовые облака. Во время фазы роста они испускают мощные энергетические ветры.

Именно это происходит в ядре NGC 4151, когда оно поглощает близлежащий материал и формирует аккреционный диск. «С помощью XRISM мы получаем самое высокое разрешение при наблюдении самых ярких активных галактических ядер и самую богатую информацию об оттоках, которую мы когда-либо наблюдали в аккреционном диске», — объясняет Сян.

Оказалось, что самые сильные ветры, формирующие галактику и поглощающие газ, необходимый для образования звезд, дуют не постоянно. Сян пришлось придумать способ понять, когда эти ветры наиболее сильны. В итоге были проанализированы сотни дней наблюдений NGC 4151, ища пики рентгеновской яркости, которые указывали бы на сильные ветры.

Кроме того, изучалось, насколько жесткие или мягкие рентгеновские лучи были обнаружены прибором XRISM, чтобы сопоставить их с силой ветра. Все эти переменные были объединены в метрику, названную «индексом интенсивности цвета» или «синдичностью». «Отчасти потому, что меня зовут Синди, — говорит Сян. — Но идея в том, что в будущем вы сможете сказать мне синдичность вашего источника в данный момент, и я смогу сказать вам вероятность того, что вы наблюдаете быстрый отток».

В случае с NGC 4151 было обнаружено, что самые сильные порывы ветра наблюдались в то время, когда рентгеновское излучение было жестким, но слабым. Самые сильные ветры не наблюдались во время вспышек, но обычно примерно через 10 000 секунд — или чуть менее чем через 3 часа — что обеспечивает первую прямую связь по времени с выбросами вещества.

Как уже упоминалось, основное воздействие активного ядра галактики на окружающие газовые облака в галактике имеет катастрофические последствия для областей звездообразования. Газовые ветры могут просто сдувать газ, рассеивая его по всей галактике или в межгалактическое пространство. Если он достаточно широко распространен, в любом конкретном регионе его будет недостаточно для начала процесса звездообразования. Газовые ветры также могут разрывать молекулы газа, что также влияет на звездообразование.

Основная деятельность чёрной дыры, заключающаяся в поглощении вещества, также полностью уничтожает доступный материал для звездообразования. Результат тот же: нет газов, которые могли бы сливаться в звёзды. В свою очередь, галактика теряет возможность расти за счёт звёздообразования.

Команда Сян обнаружила несколько типов дисковых ветров в выбросах из NGC 4151. Все эти выбросы имели скорость, равную или превышающую скорость аккреции массы, что означает, что они выдували важный материал. Измерения и выводы команды о ветрах, исходящих из сверхмассивной черной дыры этой галактики, помогут астрономам предсказывать, когда подобные выбросы происходят в других галактиках. Это, в свою очередь, может улучшить понимание учеными активных галактических ядер во Вселенной.