Космический телескоп обнаружил, как черные дыры питаются сами собой

Фото из открытых источников

Благодаря космическому телескопу Джеймса Уэбба (JWST) астрономы получили возможность заглянуть в механизмы, которые используют сверхмассивные черные дыры для своего питания. Эти наблюдения могут помочь ученым выяснить, как сверхмассивные черные дыры с массами в миллионы, а зачастую и миллиарды раз превышающими массу Солнца, так быстро росли вскоре после Большого взрыва. Исследование было опубликовано в журнале Astrophysical Journal Letters.

Хотя во всех крупных галактиках в центре находятся сверхмассивные черные дыры, некоторые из них являются спящими гигантами, поглощающими мало окружающего газа и пыли, в то время как другие ненасытно питаются и действуют как двигатели ярких центральных галактических областей, называемых активными галактическими ядрами (АГЯ). Эти питающиеся черные дыры также выбрасывают материю со своих полюсов в виде струй, которые могут выталкивать газ и пыль — сырье, необходимое для звездообразования, — из своих галактик-хозяев, тем самым прекращая звездообразование и фактически «убивая» эти галактики.

Кроме того, мощные космические гиганты становятся по-настоящему загадочными, когда астрономы, использующие телескоп JWST, обнаруживают их ещё до того, как Вселенной исполнилось 1 миллиард лет. Это связано с тем, что механизмы, посредством которых чёрные дыры поглощают материю для роста, а затем сливаются, создавая ещё более массивные чёрные дыры, должны занимать не менее 1 миллиарда лет, чтобы достичь сверхмассивного состояния. Это ещё больше запутывает ситуацию, потому что теории также говорят, что наиболее ненасытно поглощающие материю чёрные дыры (и, следовательно, наиболее быстро растущие) должны также отталкивать материю, которую они используют для этого роста, фактически сажая себя на диету. Итак, учитывая всё это, как же сверхмассивные чёрные дыры так быстро росли в ранней Вселенной?

Одно из объяснений предполагает, что сверхмассивные черные дыры отталкивают газ, моря себя голодом, как и предсказывалось, но также и то, что это вещество в конечном итоге остывает и падает обратно в черную дыру. Это позволило бы им начать еще один период питания и, следовательно, роста.

Это объяснение также предполагает, что по мере охлаждения этот газ образует «потоки» или нити газа шириной всего в несколько сотен световых лет, но простирающиеся на тысячи световых лет в длину. Эти нити будут падать обратно в центр галактики и формировать вращающийся диск вокруг находящейся в ней черной дыры, снова подпитывая ее и запуская новый период роста. Затем это возобновит выбросы из черной дыры, что снова перекроет источник питания для космического титана, позволяя всему процессу начаться заново.

По сути, этот процесс будет представлять собой саморегулирующийся цикл «пиршества», за которым последует «голодание». Однако связь между этими нитями и сверхмассивными черными дырами до сих пор остается неясной, а это значит, что данный механизм не получил подтверждения.

«JWST показывает, что черные дыры могут быть главными космическими переработчиками», — заявила руководитель группы Джули Хлавачек-Ларрондо из Монреальского университета. «Они выделяют огромное количество энергии, которая нагревает окружающую среду, но тот же газ впоследствии может остыть, превратившись в тонкие нити, которые падают обратно внутрь и снова питают черную дыру. Мы наконец-то видим этот самоподдерживающийся цикл в действии».

Чтобы разгадать тайну черных дыр, поглощающих свет, телескоп JWST обратил свое внимание на относительно близко расположенное активное ядро галактики NGC 4696, находящееся в центре скопления Центавра, всего в 145 миллионах световых лет от Земли.

Ранее космический телескоп «Хаббл» изучал эту галактику, обнаружив странный, крючкообразный вихрь газа вблизи центральной сверхмассивной черной дыры NGC 4696.

Телескоп JWST продолжил исследование, создав подробную карту газового потока в центре галактики. Это показало, что крюкообразная структура имеет ширину около 800 световых лет и состоит из газа, движущегося с невероятной скоростью около 1,3 миллиона миль в час (600 километров в секунду). Что еще более интересно, этот газовый вихрь, по-видимому, связан с обширной нитью вещества, падающей в сторону центральной сверхмассивной черной дыры.

Пикселизированное изображение, показывающее черно-белый фон с фиолетовой структурой. Внутри фиолетовой структуры присутствуют желтоватые оттенки.

Команда проверила наблюдения JWST с помощью компьютерного моделирования, обнаружив, что газ в сценарии падающего филамента действительно принимает форму, подобную той, что наблюдается в NGC 4696.

«JWST теперь показывает нам последнее звено этого замкнутого цикла», — заявила Хелен Рассел из Школы физики и астрономии Ноттингемского университета в Великобритании. «Обширная филаментная сеть газовых потоков в конечном итоге направляет газ вниз к диску, который питает черную дыру».