Супер массивная черная дыра обвиняется в подавлении звездообразования

Некоторые из самых массивных галактик во Вселенной, похоже, лишены множества звезд. Это кажется необычным, поскольку рождение звезд — одна из основных задач галактики в процессе её роста. По словам Синь "Синди" Сян из Университета Мичигана, что-то подавляет или прекращает рождение звезд в этих галактиках, и она считает, что виноваты черные дыры.

Сян возглавила команду исследователей, которые использовали Миссию по рентгеновской визуализации и спектроскопии (XRISM) для изучения выбросов из аккреционных дисков черных дыр. Такие области ярки в рентгеновских лучах из-за фантастически высоких энергий, которые расходуются материалом в дисках. В зависимости от силы ветров, исходящих из этой области, они могут играть очень важную роль в влиянии на звездообразование. Однако команде нужны были исследования спектров с крайне высоким разрешением, чтобы понять, что происходит. "Ранее, без XRISM, мы могли видеть только широкие особенности выбросов," — сказала Сян. "Но вам нужно быть в состоянии разрешить тонкие особенности, чтобы ответить на важные вопросы. Какова их структура и геометрия? Как запускаются ветры и когда они запускаются?"

Создание среды, подавляющей звезды

Супер массивные черные дыры, как и их меньшие аналоги (черные дыры звездной массы), питаются материалом, который попадает в их сильное гравитационное притяжение. Это включает свет, а также газ, пыль и что-либо большее (например, звезды), что склонно заблудиться слишком близко. Материал закручивается через аккреционный диск, который образуется вокруг черной дыры. Диск, особенно вокруг супер массивной, представляет собой невероятно энергичную среду. Активность там смешивает газ и частицы пыли, и всё это пронизано магнитными полями. Всё это движение создает трение, а гравитация также работает, чтобы атомизировать материал.

Если вещи достаточно энергичны, они могут даже срывать электроны с этих атомов, создавая очень горячую, очень яркую плазму. Как кипящий котел, этот диск также может выбрасывать материал, создавая мощные ветры. Если ветры достаточно сильны, они могут сдуть газ в близлежащих областях. К сожалению, этот газ — то, что галактики нуждаются для формирования новых звезд. Таким образом, черные дыры могут оказывать довольно пагубное влияние на активность звездообразования поблизости.

Поймать выброс черной дыры

Сян и её команда использовали XRISM для изучения активности рядом с супер массивной черной дырой в центре галактики NGC 4151. Это обеспечивало высокое разрешение наблюдения за ветрами, текущими из аккреционного диска в сердце этого активного галактического ядра (AGN), и измеряло их характеристики. AGN обычно возникают в фазе роста супер массивной черной дыры, и их энергичная активность формирует эволюцию галактики-хозяина. Они растут, поглощая газ, а также влияя на окружающие газовые облака. Они излучают эти мощные энергетические ветры в фазе роста.

Это то, что происходит в ядре NGC 4151, когда оно поглощает близлежащий материал и создает аккреционный диск. "С XRISM у нас есть наибольшее разрешение для наблюдения за самыми яркими AGN, и мы получаем самую богатую информацию о выбросах, которую мы наблюдали до сих пор для аккреционного диска," — сказала Сян.

Вид на галактику NGC 4151 с телескопа Хаббл. Обратите внимание на яркие голубые области звездообразования в спиральных рукавах, в то время как вблизи ядра относительно мало областей. Кредит: NASA, ESA, Joseph DePasquale (STScI)

Что нам говорит XRISM

Оказывается, что самые сильные ветры, которые формируют галактику и поглощают газ, необходимый звездам для формирования, не текут всё время. Сян должна была придумать способ понять, когда эти ветры самые сильные. Поэтому она проанализировала сотни дней наблюдений NGC 4151, ища пики в яркости рентгеновских лучей, которые указывали бы на сильные ветры.

Иллюстрация ветров и аккреционного диска вокруг супер массивной черной дыры, которая составляет AGN. Кредит: NASA/M.Weiss (Chandra X-ray Center)

Кроме того, она изучала, насколько жесткими или мягкими были рентгеновские лучи, зарегистрированные XRISM, чтобы она могла соотнести их с силой ветра. Она собрала все эти переменные в метрику, которую она назвала "индекс цветовой интенсивности", или "циндицитет". "Отчасти потому, что меня зовут Синди," — сказала Сян. "Но идея в том, что в будущем вы могли бы сказать мне циндицитет вашего источника в этот момент, и я могу сказать вам вероятность того, что вы видите быстрый выброс."

Для NGC 4151 Сян обнаружила, что быстрые ветры были сильнее всего, когда рентгеновские лучи были жесткими, но слабыми. Самые быстрые ветры не наблюдались во время вспышек, а обычно примерно через 10 000 секунд — чуть менее 3 часов позже — предоставляя первую прямую временную связь с выбросами.

Как ветры влияют на звездообразование

Как уже упоминалось, основной эффект AGN на окружающие газовые облака в галактике является довольно катастрофическим для областей звездообразования. Ветры могут просто сдуть газ, рассеивая его по всей галактике или в межгалактическом пространстве. Если он распределен достаточно широко, в любой данной области не будет достаточно для начала процесса звездообразования. Ветры также могут разрывать молекулы газа, что также влияет на звездообразование.

Основная активность черной дыры, поглощая материал, также полностью удаляет доступный материал для звездообразования. Результат тот же: нет газов, чтобы объединиться в звезды. В свою очередь, галактика теряет свою возможность расти за счет звездообразования.

Команда Сян обнаружила несколько типов дисковых ветров в выбросах из NGC 4151. Все эти выбросы имели скорости выбросов, равные или превышающие скорость аккреции массы, что означает, что они сдувают необходимый материал. Измерения и выводы команды о ветрах, текущих из супер массивной черной дыры этой галактики, помогут астрономам предсказать, когда такие выбросы происходят в других галактиках. Это, в свою очередь, может улучшить понимание AGN учеными по всей Вселенной.