Надмасивні чорні діри перешкоджають утворенню зірок

Відтоді, як він почав працювати майже два роки тому, космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) створив незліченну кількість захоплюючих зображень Всесвіту та дозволив свіже уявлення про те, як він розвивався. Зокрема, інструменти телескопа оптимізовані для вивчення космологічної епохи, відомої як космічний світанок, Від 50 мільйонів до одного мільярда років після Великого вибуху, коли у Всесвіті утворилися перші зірки, чорні діри та галактики. Однак астрономи також краще розглядають наступну епоху, космічний полудень, який тривав від 2 до 3 мільярдів років після Великого вибуху.

Саме в цей час перші галактики значно виросли, сформувалася більшість зірок у Всесвіті, а надмасивні чорні діри (SMBHs) стали неймовірно яскравими квазарами. Вчені прагнули краще розглянути галактики, датовані цим періодом, щоб побачити, як SMBH вплинули на формування зірок у молодих галактиках.

Використовуючи дані ближнього інфрачервоного діапазону, отримані Веббом, міжнародна група астрономів провела детальні спостереження понад 100 галактик, які з’явилися через 2-4 мільярди років після Великого вибуху, що збігається з космічним полуднем. Робота оприлюднена на сервері підготовки до друку arXiv.

Дослідження очолювала Ребекка Л. Девіс, науковий співробітник Центру астрофізики та суперкомп’ютерів (CAS) Технологічного університету Свінберна та Центр передового досвіду ARC для астрофізики всього неба в 3 вимірах (ASTRO 3D).

До неї приєдналися дослідники з Гарвардського та Смітсонівського центру астрофізики (CfA), Інституту астрофізики Лейбніца (AIP), Інституту гравітації та космосу (LGC) та Інституту обчислювальної техніки та даних (ICDS) Університету штату Пенсільванія, Інститут космології Кавлі та Кавендішська лабораторія Кембриджського університету, Астрофізична лабораторія Колумбійського університету та багато іншого.

Попередній друк їхньої статті розглядається для публікації в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Як вони вказують у своїй статті, розуміння механізму (механізмів), відповідальних за гасіння утворення зірок у масивних галактиках, є ключовим для розуміння того, як еволюціонували галактики. Коли галактики перестають утворювати зірки, вони, по суті, перестають рости й змінюватися й стають статичними й «старими».

Як повідомив доктор Дейвіс Universe Today електронною поштою, гасіння є фундаментальним процесом у життєвому циклі галактик, який астрономи досі не розуміють у деталях.

За останнє десятиліття було проведено кілька великих оглядів галактик, які покращили наше розуміння потоків протягом космічного полудня, коли очікувалося, що відгуки від SMBH будуть найбільш активними. У результаті виник загальний консенсус, який стверджує, що все зводиться до активних галактичних ядер (AGN) — вони ж квазари — які живляться від SMBH у своєму ядрі.

Згідно з цим консенсусом, потужне випромінювання AGN викидає холодний газ, одночасно нагріваючи газовий резервуар у галактичному ореолі. Це запобігає охолодженню газу, який сприяє утворенню зірок, і повторному накопиченню для поповнення резервуара.

Як пояснив доктор Дейвіс: «Достовірно встановлено, що активні галактичні ядра — надмасивні чорні діри, які споживають велику кількість газу — можуть спричиняти витікання з галактик. Найпотужніші AGN спричиняють дуже масивні джерела, які, ймовірно, можуть видалити весь газ зі свого господаря. галактики за відносно «короткий» проміжок часу (в астрономічних термінах!) і призводять до припинення утворення зірок. Проте більш «нормальний» AGN, здається, спричиняє набагато слабкіші відтоки, і дискутується, чи є ці відтоки достатньо потужними, щоб погасити зірки – формування».

Існує багато непрямих доказів, які свідчать про те, що масивні галактики гасять активність надмасивних чорних дір, але прямих доказів цього поки що бракує.

«Картина складна, оскільки витікання є «багатофазними» — вони містять газ із широким діапазоном температур і щільностей, який випромінює світло по всьому електромагнітному спектру від рентгенівського до радіохвиль», — додав Девіс. «Більшість наших спостережень спрямовані на іонізований газ, оскільки його найлегше побачити. Однак ми вважаємо, що на нього припадає лише близько 1% витоків, тому ми лише очищаємо верхівку айсберга, коли справа доходить до маси, що витікає».

Для свого дослідження команда покладалася на дані, отримані за допомогою безщілинного спектрографа Вебба (NIRSpec) ближнього інфрачервоного діапазону 113 галактик, відібраних з огляду Блакитної сойки. Це дослідження було частиною Загальних спостережень циклу 1 JWST (GO 1810), які досліджували поширеність і типові властивості витоків нейтрального газу в космічному Куні.

Чутливість і висока роздільна здатність інструменту NIRSpec дозволили Деніелс і її колегам вивчити витік холодного нейтрального газу в цих вибраних галактиках способами, які раніше були неможливими.

Як вона пояснила, «ми виявили витікання прохолодного нейтрального газу, спричинене активністю AGN, приблизно в 1/4 масивних галактик, які ми спостерігали. Ці нейтральні витоки принаймні такі ж масивні, як раніше вимірювані іонізовані витоки, а в деяких випадках нейтральні витоки є У 10–100 разів важче. Важливо те, що витікання спостерігаються в галактиках на різних еволюційних стадіях: деякі галактики активно утворюють зірки, а інші майже гасляться. У галактиках, що гаснуть, витікання видаляють газ у 300 разів швидше, ніж насправді перетворюються на зірки».

Ці спостереження підтверджують теорію про те, що AGN відповідають за «закриття» утворення зірок у галактиках, коли вони досягають певного віку. Це, у свою чергу, могло б покращити наше розуміння еволюції галактик шляхом кількісної оцінки ефектів AGN під час ключової фази галактичного розвитку.

Хоча триваючі спостереження космічного світанку дають змогу побачити галактики, коли вони виходили з колиски (космічні темні віки), це дослідження пропонує детальну інформацію про те, як вони виглядали, коли рухалися до зрілості. Сукупний результат, сказав Дейвіс, є більш повним розумінням:

«Наші результати свідчать про те, що потоки, керовані AGN, здатні швидко видаляти холодний газ із галактик, позбавляючи їх палива для утворення зірок. Ці потужні потоки не є рідкістю, але, здається, відносно частими серед масивних віддалених галактик. Тому видалення холодного газу газ через потоки, викликані AGN, може бути загальною причиною швидкого припинення зореутворення у масивних далеких галактиках». Джерело