Астрономи з’ясували, як галактики уникають ранньої загибелі

Якби Всесвіт старів швидше, ніж зараз, ми б побачили його багатою «зомбі-галактиками», наповненими мертвими зірками. Але оскільки це не так, має діяти якийсь механізм самозбереження. Вчені з Великобританії порівняли його з «серцем» та «легкими», що регулюють «дихання» та зростання галактик.

У більшості спіральних галактик є регіони зіркоутворення. Основний будівельний матеріал для них – газоподібний водень із незначною кількістю важчих елементів. Перші галактики у Всесвіті мали гігантські запаси «палива», і, за ідеєю, вони мали швидко згоріти. Сплеск зіркоутворення не міг би тривати довго, і галактики швидко видихнулися б, але, здається, вони вміють відстрочити свою загибель завдяки розташованим у їхніх ядрах супермасивним чорним дірам.

Галактики розвиваються під впливом взаємодії між міжзоряним середовищем і навколишнім газовим гало, відомим як навкологалактична середовище (circum-galactic medium). Хоча гало суттєво менш щільне, ніж міжзоряне середовище, у ньому у три-п’ять разів більше баріонів та важких елементів. Проте оцінки швидкості утворення зірок у багатьох галактиках нижчі, ніж очікувалося.

Вчені пояснюють цей парадокс тим, що релятивістські джети — два різноспрямовані струмені плазми з активних ядер галактик — можуть нагрівати навкологалактичне середовище та пом’якшувати потоки. Щоб розібратися, вчені з Університету Кента (Великобританія) досліджували шокову структуру джетів за допомогою осесиметричних гідродинамічних моделей при М=2 (число Маха). У новій роботі, опублікованій в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society , дослідники уточнили моделі та дали пояснення деяким явищам, що спостерігаються.

Автори статті порівняли чорну дірку в центрі галактики із серцем, а струмені — із повітрям, що надходить у дихальні шляхи та наповнює легені. Під час видиху в джеті з’являються зони аномально високого тиску, що створюють, у свою чергу, ударні хвилі. Їхній фронт рухається вперед і назад уздовж обох осей, подібно до того, як діафрагма здіймається і опускається, наповнюючи легені повітрям.

Продовжуючи аналогію, як наше дихання нагріває холодне повітря, так ударні хвилі джетів передають свою енергію навколишньому середовищу та роблять її теплішим. Це, у свою чергу, уповільнює охолодження та акрецію з навкологалактичного середовища.

Ідея належить аспіранту Карлу Річардсу, першому автору статті, який за допомогою моделювання досліджував роль надзвукових потоків у уповільненні зростання галактик. Вчений створив симуляцію пульсування чорної дірки та формування у джетах зон аномального тиску – як при гіпертонії у людей. За словами Річардса, джети працювали як ковальське хутро, породжуючи звукові хвилі, немов бриж на поверхні ставка. Це може пояснити спостереження брижів у галактичних скупченнях Персею і Центавра.

За словами вчених, процеси, що відбуваються в джетах із зонами аномально високого тиску, можна порівняти зі звуком під час відкриття пляшки шампанського або проколювання надутого пакета. Загалом модель пояснює, чому приплив холодного газу із гало стримується. Тепер потрібно докладніше вивчити ступінь та ефективність передачі енергії, можливість перегріву, а також провести розрахунки з великим значенням числа Маха, що має для моделі, за словами авторів, критичне значення.