Потужні вітри чорних дір змінюють долю галактик: нові дані дослідження

Сучасні космологічні моделі передбачають, що наймасивніші галактики Всесвіту повинні містити значно більше зоряної маси, ніж астрономи спостерігають насправді. Протягом десятиліть вчені намагалися зрозуміти, який механізм стримує утворення нових зірок у таких системах. Про це пише Sciencedaily.

Чому у найбільших галактиках менше зірок, ніж мало б бути?

Нове дослідження, представлене на 248-й зустрічі Американського астрономічного товариства в Пасадені, свідчить, що відповідь може ховатися в діяльності надмасивних чорних дір.

Ключову роль у роботі виконала аспірантка Мічиганського університету Сінь "Сінді" Сян, яка використала дані місії XRISM (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission). Проєкт реалізується під керівництвом Японського агентства аерокосмічних досліджень за участю NASA та Європейського космічного агентства.

Результати свідчать, що чорні діри здатні запускати потужні потоки речовини, які буквально видувають із галактик газ, необхідний для народження нових зірок.

Як чорні діри можуть зупиняти народження зірок?

Попри поширене уявлення про чорні діри як про космічні об'єкти, що лише поглинають матерію, вони також можуть бути джерелом колосальної енергії.

Коли газ і пил падають у напрямку чорної діри, навколо неї формується акреційний диск. У цьому диску речовина нагрівається до надзвичайно високих температур під впливом гравітації та тертя, перетворюючись на гарячу плазму.

Такі області належать до найенергетичніших середовищ у Всесвіті та випромінюють потужні рентгенівські промені. Водночас із диска можуть вириватися сильні потоки речовини – так звані галактичні вітри.

Саме вони, на думку дослідників, здатні виносити міжзоряний газ за межі галактики. Оскільки газ є основним будівельним матеріалом для нових зірок, його втрата безпосередньо впливає на майбутнє зореутворення.

Що побачив космічний телескоп XRISM?

Космічну обсерваторію XRISM запустили у 2023 році, а повноцінні наукові спостереження розпочалися восени 2024 року.

Головна перевага місії полягає в надзвичайно високій точності вимірювань. За словами вчених, енергетична роздільна здатність нового апарата приблизно в десять разів перевищує можливості його попередників.

Це дозволило дослідникам значно детальніше вивчити галактику NGC 4151, розташовану на відстані трохи більше 50 мільйонів світлових років від Землі.

У центрі цієї галактики знаходиться активне галактичне ядро – область навколо надмасивної чорної діри, яка активно поглинає навколишню речовину та генерує яскраве випромінювання.

"Раніше без XRISM ми могли бачити лише загальні риси цих потоків. Але для відповіді на важливі питання необхідно розрізняти дрібні деталі. Яка їхня структура та геометрія? Як саме запускаються ці вітри і коли це відбувається?" – пояснила Сінді Сян.

Вона додала:

"З XRISM ми отримали найкращу роздільну здатність під час спостережень одного з найяскравіших активних галактичних ядер і найдетальнішу інформацію про потоки речовини, яку будь-коли отримували для акреційного диска".

Коли виникають найпотужніші космічні вітри?

У попередніх роботах Сян разом із професором астрономії Мічиганського університету Джоном Міллером уже показала, що вітри з акреційного диска NGC 4151 можуть досягати швидкостей, достатніх для викиду речовини із системи.

Дослідники також встановили ймовірний механізм цього процесу. Йдеться про так зване магнітоцентрифугальне прискорення – явище, яке певною мірою нагадує механізми виникнення сонячних спалахів.

Для нового дослідження вчена проаналізувала сотні днів спостережень XRISM та вивчила зміни рентгенівського випромінювання після спалахів активності чорної діри.

Окрім яскравості сигналу, вона аналізувала співвідношення між "жорстким" і "м'яким" рентгенівським випромінюванням. На основі цих параметрів було створено новий показник – індекс інтенсивності кольору. Професор Міллер жартома запропонував скоротити назву до слова "cindicity" – на честь імені дослідниці.

"Частково тому, що мене звати Сінді. Але ідея полягає в тому, що в майбутньому ви зможете повідомити мені значення cindicity для свого джерела, а я скажу ймовірність того, що ви спостерігаєте швидкий потік речовини", – розповіла Сян.

Новий зв'язок між активністю чорної діри та галактичними вітрами

Аналіз приніс несподіваний результат. Виявилося, що найшвидші та найпотужніші потоки речовини не збігаються з моментами максимальних рентгенівських спалахів.

Натомість вони зазвичай виникають приблизно через 10 000 секунд після таких подій, тобто менш ніж через три години. Для астрономії це перше пряме підтвердження часової залежності між рентгенівською активністю поблизу чорної діри та появою потужних вітрів, які залишають акреційний диск.

Вчені вважають, що новий метод дозволить ефективніше знаходити подібні явища в інших галактиках і краще зрозуміти роль надмасивних чорних дір у космічній еволюції.

Якщо результати підтвердяться подальшими спостереженнями, вони можуть допомогти пояснити одну з найбільших загадок сучасної астрофізики – чому найбільші галактики Всесвіту мають значно менше зірок, ніж передбачають теоретичні моделі.