Супермасивна чорна діра звинувачується у пригніченні формування зір

Деякі з найбільш масивних галактик у Всесвіті, здається, втрачають багато зірок. Це виглядає незвично, оскільки народження зірок є одним з основних завдань галактики під час її зростання. Згідно з дослідженнями Сінь "Сінді" Сян з Університету Мічигану, щось пригнічує або зупиняє народження зірок у цих галактиках, і вона вважає, що винуватцем можуть бути чорні діри.

Сян очолила команду дослідників, які використовували Місію рентгенівської іміджінгу та спектроскопії (XRISM) для вивчення викидів з акреційних дисків чорних дір. Такі області яскраві в рентгенівських променях через фантастично високі енергії, які витрачаються матеріалом у дисках. Залежно від сили вітрів, що виходять з цієї області, вони можуть відігравати дуже важливу роль у впливі на формування зірок. Однак команді були потрібні надзвичайно високоякісні спектральні дослідження викидів з чорної діри, щоб зрозуміти, що відбувається. "Раніше, без XRISM, ми могли бачити лише широкі ознаки викидів," — сказала Сян. "Але вам потрібно бути в змозі розрізнити тонкі деталі, щоб відповісти на важливі питання. Яка їхня структура і геометрія? Як запускаються вітри і коли вони запускаються?"

Створення середовища, що пригнічує зірки

Супермасивні чорні діри, як і їхні менші побратими (чорні діри з масою зірки), живляться матеріалом, який потрапляє під їхній сильний гравітаційний вплив. Це включає світло, а також газ, пил і все, що більше (таке як зірки), що має тенденцію наближатися занадто близько. Матеріал закручується в акреційний диск, що формується навколо чорної діри. Диск, особливо навколо супермасивної, є неймовірно енергетичним середовищем. Активність там змішує газ і частинки пилу, а все це пронизане магнітними полями. Усі ці рухи створюють тертя, а гравітація також працює, щоб атомізувати матеріал.

Якщо енергія достатня, вони можуть навіть знімати електрони з цих атомів, створюючи дуже гарячу, дуже яскраву плазму. Як булькаючий казан, цей диск також може викидати матеріал, створюючи потужні вітри. Якщо вітри достатньо сильні, вони можуть здути газ у сусідніх регіонах. На жаль, цей газ є тим, що галактики потребують для формування нових зірок. Отже, чорні діри можуть мати досить згубний вплив на активність народження зірок поблизу.

Ловлення викиду чорної діри

Сян і її команда використовували XRISM для вивчення активності поблизу супермасивної чорної діри в центрі галактики NGC 4151. Це забезпечило високоякісний огляд вітрів, що виходять з акреційного диска в центрі цього активного галактичного ядра (AGN), і виміряли їх характеристики. AGN зазвичай виникають під час фази зростання супермасивної чорної діри, і їх енергетична активність формує еволюцію галактики-господаря. Вони ростуть, поглинаючи газ, а також впливаючи на навколишні газові хмари. Вони викидають ці потужні енергетичні вітри під час фази зростання.

Це те, що відбувається в ядрі NGC 4151, коли вона поглинає сусідній матеріал і створює акреційний диск. "З XRISM ми маємо найвищу роздільну здатність при спостереженні найяскравіших AGN, і ми отримуємо найрізноманітнішу інформацію про викиди, яку ми спостерігали досі для акреційного диска," — сказала Сян.

Вид телескопа Хаббл на галактику NGC 4151. Зверніть увагу на яскраві блакитні області народження зірок у спіральних руках, тоді як поблизу ядра відносно мало таких областей. Кредит: NASA, ESA, Joseph DePasquale (STScI)

Що говорить XRISM

Виявляється, що найсильніші вітри, які формують галактику і поглинають газ, необхідний для формування зірок, не течуть постійно. Сян довелося придумати спосіб зрозуміти, коли ці вітри найсильніші. Тому вона проаналізувала сотні днів спостережень NGC 4151, шукаючи піки в рентгенівській яскравості, які б вказували на сильні вітри.

Ілюстрація вітрів і акреційного диска навколо супермасивної чорної діри, що складає AGN. Кредит: NASA/M.Weiss (Chandra X-ray Center)

Крім того, вона вивчала, наскільки жорсткими або м'якими були рентгенівські промені, виявлені XRISM, щоб вона могла корелювати їх зі силою вітру. Вона помістила всі ці змінні в метрику, яку вона назвала "індекс інтенсивності кольору", або "сіндісність". "Частково тому, що моє ім'я Сінді," — сказала Сян. "Але ідея в тому, що в майбутньому ви могли б сказати мені сіндісність вашого джерела в цей момент, і я можу сказати вам ймовірність того, що ви бачите швидкий викид."

Для NGC 4151 Сян виявила, що швидкі вітри були найсильнішими, коли рентгенівські промені були жорсткими, але слабкими. Найшвидші вітри не спостерігалися під час спалахів, але зазвичай приблизно через 10,000 секунд — або трохи менше 3 годин пізніше — що забезпечує перше пряме зв'язування часу з викидами.

Як вітри впливають на формування зірок

Як вже згадувалося, основний вплив AGN на навколишні газові хмари в галактиці є досить катастрофічним для регіонів народження зірок. Вітри можуть просто здути газ, розсіюючи його по всій галактиці або в міжгалактичному просторі. Якщо він розподілений досить широко, не буде достатньо в будь-якому конкретному регіоні, щоб розпочати процес формування зірок. Вітри також можуть розривати молекули газу, що також впливає на формування зірок.

Основна діяльність чорної діри, поглинання матеріалу, також повністю видаляє доступний матеріал для формування зірок. Результат той самий: немає газів, щоб з'єднатися в зірки. У свою чергу, галактика втрачає свій шанс зростати через формування зірок.

Команда Сян виявила кілька типів дискових вітрів у викидах з NGC 4151. Усі ці викиди мали швидкість викиду, яка була рівною або більшою за масу акреції, що означає, що вони здували необхідний матеріал. Вимірювання та висновки команди про вітри, що виходять з супермасивної чорної діри цієї галактики, допоможуть астрономам передбачити, коли такі викиди відбуваються в інших галактиках. Це, в свою чергу, може покращити розуміння вченими AGN по всьому Всесвіту.