Новое исследование показывает, как галактики избегают ранней смерти

Впечатление художника: биполярные струи газа, исходящие из сверхмассивной черной дыры в центре галактики. Автор: ESA/Hubble, L. Calçada (ESO)

Новое исследование предполагает, что галактики избегают ранней смерти, потому что у них есть «сердце и легкие», которые эффективно регулируют их «дыхание» и не позволяют им выйти из-под контроля.

Если бы они этого не сделали, Вселенная старела бы гораздо быстрее, чем сейчас, и все, что мы видели бы сегодня, — это огромные галактики-зомби, изобилующие мертвыми и умирающими звездами.

Это согласно новому исследованию, опубликованному в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества, которое исследует одну из величайших загадок Вселенной – почему галактики не такие большие, как ожидали астрономы.

Похоже, что-то подавляет их огромный потенциал, ограничивая количество газа, которое они поглощают для превращения в звезды. Это означает, что вместо бесконечного роста что-то внутри сопротивляется тому, что считалось неизбежным притяжением гравитации.

Теперь астрофизики из Кентского университета полагают, что, возможно, они раскрыли секрет. Они предполагают, что галактики на самом деле могут контролировать скорость своего роста посредством того, как они «дыхают».

В своей аналогии исследователи сравнили сверхмассивную черную дыру в центре галактики с ее сердцем и двумя биполярными сверхзвуковыми струями газа и радиации, которые они испускают в дыхательные пути, питающие пару легких.

Импульсы от черной дыры — или «сердца» — могут привести к тому, что фронты реактивной ударной волны колеблются вперед и назад вдоль обеих осей струи, подобно тому, как грудная диафрагма в человеческом теле движется вверх и вниз внутри грудной полости, надувая и сдувая оба легких.

Это может привести к тому, что струйная энергия будет широко передаваться в окружающую среду, так же, как мы выдыхаем теплый воздух, что приведет к замедлению аккреции и роста галактического газа.

Кандидат наук. Студент Карл Ричардс придумал эту теорию после создания новых, никогда ранее не опробованных симуляций для изучения роли сверхзвуковых струй в замедлении роста галактик.

Они включали в себя возможность пульсировать «сердцу» черной дыры, а струи находились под высоким давлением — что очень похоже на форму гипертонии, если продолжить сравнение с человеческим телом. По его словам, из-за этого струи «действовали как мехи», посылая звуковые волны «как рябь на поверхности пруда».

Два разных примера моделирования одной стороны симметричных биполярных джетов, где пульсации давления распространяются по внегалактической среде. Здесь показаны изменения давления с использованием цветовой шкалы красной температуры (темный = низкое давление, светлый = высокое давление). Каждая струя входит слева с давлением, которое быстро падает по мере того, как она сталкивается с окружающей средой. Оси представляют собой безразмерные шкалы расстояний. Автор: C Richards/MD Smith/University of Kent

Явление похоже на земной эквивалент звуковых и ударных волн, возникающих при открытии бутылки шампанского, визге автомобиля, выхлопах ракет и проколе герметичных корпусов.

«Мы поняли, что должны быть какие-то средства, позволяющие джетам поддерживать тело — окружающий галактику газ — и это то, что мы обнаружили в ходе нашего компьютерного моделирования», — сказал Ричардс.

«Неожиданное поведение было выявлено, когда мы проанализировали компьютерное моделирование высокого давления и позволили сердцу пульсировать. Это посылало поток импульсов в струи высокого давления, заставляя их менять форму в результате сильфонного действия колеблющиеся фронты реактивных ударных волн».

По словам исследователей, эти струи под избыточным давлением эффективно расширялись, «как легкие, наполненные воздухом».

При этом они передали звуковые волны в окружающую галактику в виде серии пульсаций давления, которые, как было показано, подавляли рост галактики.

Есть некоторые свидетельства пульсаций во внегалактических средах, например, наблюдаемых в близлежащем скоплении галактик Персея, связанных с огромными пузырями горячего газа, которые, как полагают, являются примерами звуковых волн.

Уже считалось, что эта рябь отвечает за поддержание окружающей среды, окружающей галактику, хотя механизм ее создания отсутствовал.

Звуковые волны (рябь) в горячем газе, заполняющем скопление Персея, показаны на изображении этого художника. Считается, что они образовались из полостей, выброшенных струями сверхмассивной черной дыры (яркое белое пятно) в центре галактики. Автор: NASA/NASA/CXC/M.Weiss

Таким образом, традиционные космологические модели не могут объяснить поток газа в галактики, что приводит к одной из величайших загадок Вселенной, поэтому некоторое сопротивление зависит от высокоактивной черной дыры в сердце галактики.

«Однако сделать это непросто, и у нас есть ограничения на тип пульсации, размер черной дыры и качество легких», — сказал соавтор профессор Майкл Смит. «Слишком быстрое или слишком медленное дыхание не обеспечит живительной дрожи, необходимой для поддержания галактической среды и в то же время обеспечит снабжение сердца топливом».

Исследователи пришли к выводу, что продолжительность жизни галактики можно продлить с помощью ее «сердца и легких», где сверхмассивный двигатель черной дыры в ее ядре помогает сдерживать рост, ограничивая количество газа, коллапсирующего в звезды, на ранней стадии.

По их словам, это помогло создать галактики, которые мы видим сегодня.

Без такого механизма галактики уже исчерпали бы свое топливо и выдохлись, как это происходит с некоторыми галактиками в виде «красных и мертвых» или «зомби».

Больше информации: Carl Richards et al, Simulations of Pulsed Over-Pressure Jets: Formation of Bellows and Ripples in Galactic Environments, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae1498

Источник: Royal Astronomical Society