Ветры черных дыр могут лишать массивные галактики будущих звезд

Астрономы, возможно, приблизились к разгадке давней тайны, касающейся крупнейших галактик во Вселенной. Наблюдения с помощью рентгеновской обсерватории XRISM предоставили новые доказательства того, что сверхмассивные черные дыры могут препятствовать формированию звезд в этих галактиках.

Согласно текущим моделям, самые массивные галактики должны содержать больше звездной массы, чем наблюдают астрономы. Этот недостаток указывает на то, что какой-то процесс подавляет звездообразование. Докторант Мичиганского университета Синь «Синди» Сян использовала данные XRISM для изучения одной из ведущих гипотез и нашла доказательства, указывающие непосредственно на черные дыры.

Большинство людей знают черные дыры как объекты, гравитация которых настолько сильна, что даже свет не может покинуть их, пересекая определенную границу. Однако черные дыры также могут создавать чрезвычайно яркие области вокруг себя. По мере того как газ и пыль закручиваются по спирали внутрь, они образуют аккреционный диск, излучающий огромное количество энергии, включая мощные рентгеновские лучи.

Ветры черных дыр и звездообразование

Аккреционные диски — одни из самых энергичных сред во Вселенной. Материя, падающая к черной дыре, нагревается гравитацией и трением, превращаясь в интенсивно горячую плазму. В то же время диск может запускать мощные потоки вещества. Эти ветры могут быть достаточно сильными, чтобы выметать газ из галактики. Поскольку газ является сырьем, необходимым для создания новых звезд, такие потоки могут значительно сократить будущее звездообразование. Данные XRISM подтверждают эту возможность.

«Раньше, без XRISM, мы могли видеть только общие черты этих потоков, — сказала Сян. — Но нужно уметь различать тонкие детали, чтобы ответить на важные вопросы. Какова их структура и геометрия? Как запускаются ветры и когда они запускаются?»

XRISM обеспечивает более четкое изображение

Запущенная в 2023 году, обсерватория XRISM начала научные наблюдения осенью 2024 года. Ее энергетическое разрешение примерно в 10 раз лучше, чем у предшественника, что позволяет астрономам изучать окружение черных дыр в гораздо более детальном масштабе.

Сян и ее коллеги сосредоточились на галактике NGC 4151, расположенной на расстоянии чуть более 50 миллионов световых лет от Земли. В ее центре находится активное галактическое ядро (AGN), где сверхмассивная черная дыра активно поглощает вещество и генерирует светящийся аккреционный диск. Это делает NGC 4151 идеальной лабораторией для изучения потоков, вызванных черной дырой.

«С XRISM мы имеем наилучшее разрешение, наблюдая самые яркие AGN, и получаем самую богатую информацию о потоках, которую мы когда-либо наблюдали для аккреционного диска», — добавила Сян.

Работая вместе с профессором астрономии Мичиганского университета Джоном Миллером, Сян ранее показала, что ветры от аккреционного диска NGC 4151 могут достигать скоростей, достаточных для выброса материала из системы. Она также определила вероятный механизм, управляющий этими потоками (он, по-видимому, называется магнитоцентробежным ускорением и похож на то, что вызывает солнечные вспышки).

Отслеживание самых быстрых потоков черной дыры

На 248-м собрании Американского астрономического общества в Пасадене, Калифорния, Сян представила новый метод определения того, когда активны мощные ветры NGC 4151. Этот подход может помочь исследователям идентифицировать подобные потоки в других галактиках и улучшить понимание AGN во всей Вселенной.

Поскольку ветры AGN могут кардинально меняться со временем, Сян нужен был способ точно определить, когда происходят самые быстрые и сильные потоки. Для этого она проанализировала сотни дней наблюдений XRISM за NGC 4151. Ее работа была сосредоточена на периодах, когда рентгеновское излучение галактики усиливалось во время вспышек, и на том, как рентгеновский сигнал эволюционировал в последующие часы.

Помимо измерения яркости, Сян изучала, были ли обнаруженные рентгеновские лучи относительно жесткими или мягкими — свойство, сравнимое с цветом в видимом свете. Она объединила эти измерения в новый показатель, названный индексом цветовой интенсивности. Миллер предложил сократить название до «cindicity» (от имени Синди).

«Отчасти потому, что меня зовут Синди, — сказала Сян. — Но идея в том, что в будущем вы сможете сообщить мне "cindicity" вашего источника в данный момент, и я смогу сказать вам вероятность того, что вы наблюдаете быстрый поток».

Новая временная связь между черными дырами и галактическими ветрами

Анализ выявил удивительную закономерность. В NGC 4151 самые сильные быстрые ветры появлялись, когда рентгеновское излучение было жестким, но относительно слабым. Самые быстрые потоки возникали не во время самих рентгеновских вспышек. Вместо этого они обычно появлялись примерно через 10 000 секунд, или чуть менее трех часов, спустя. Это открытие обеспечивает первую прямую временную связь между рентгеновской активностью и мощными ветрами, исходящими от аккреционного диска черной дыры.

Определив, когда происходят эти потоки, астрономы теперь получили ценный новый инструмент для изучения того, как черные дыры влияют на рост и эволюцию галактик, и, возможно, почему в некоторых из самых массивных галактик Вселенной не хватает так много звезд.