JWST впервые заснял, как сверхмассивная черная дыра питается через газовые нити

JWST показал поток охлаждающегося газа, вливающийся во вращающийся диск, питающий сверхмассивную черную дыру. Наблюдения могут окончательно подтвердить, как эти космические гиганты поддерживают саморегулирующийся цикл питания, нагрева, охлаждения и повторного питания. Credit: AI/ScienceDaily.com

Новые наблюдения космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) дали астрономам наиболее четкое на сегодняшний день представление о том, как сверхмассивные черные дыры получают газ, необходимый для роста.

Изображения показывают длинные нити газа, связывающие горячую внешнюю атмосферу галактики с быстро вращающимся диском вокруг ее центральной черной дыры. Этот диск служит последним резервуаром материала перед тем, как газ падает внутрь и питает черную дыру.

Международная исследовательская группа под руководством Университета Монреаля при участии Университета штата Мичиган провела наблюдения и проанализировала результаты. Их выводы, опубликованные в выпуске The Astrophysical Journal Letters от 14 июля, помогают ответить на вопрос, который десятилетиями ставил астрономов в тупик.

«Наблюдения JWST предоставляют нам тысячи новых фактов и измерений, и я могу сказать, что это очень много для восприятия, — заявила Меган Донахью, заслуженный профессор физики и астрономии Университета штата Мичиган. — Мы все работаем вместе, чтобы решить вопросы астрофизики о том, как эти черные дыры получают свое топливо и как они взаимодействуют со своей галактикой-хозяином».

Как сверхмассивные черные дыры влияют на галактики

Почти каждая крупная галактика содержит в своем центре сверхмассивную черную дыру (СМЧД). Эти объекты могут быть в миллионы или миллиарды раз массивнее Солнца.

Сама черная дыра не излучает свет. Однако, когда большие количества газа и пыли падают на нее, материал нагревается и создает чрезвычайно яркую и энергичную область. Астрономы называют это активным галактическим ядром (АГЯ).

Активная черная дыра может действовать как мощный космический двигатель. Она может запускать огромные джеты, которые уносят энергию далеко за пределы центра галактики. Эти джеты могут нагревать окружающий газ, замедлять образование новых звезд и влиять на то, как галактика меняется в течение миллиардов лет.

Это создает давнюю загадку. Если джеты нагревают близлежащий газ, они должны затруднить его охлаждение и падение к черной дыре. Теоретически, черная дыра должна со временем перекрыть собственный источник пищи.

Тем не менее, многие сверхмассивные черные дыры продолжают питаться.

Возможный топливный цикл черной дыры

Ведущее объяснение заключается в том, что система саморегулируется.

Газ, нагретый активностью черной дыры, может со временем снова остыть. Теряя энергию, он может конденсироваться в длинные узкие структуры, известные как филаменты. Эти потоки более холодного газа могут затем падать обратно к центру галактики, пополняя запас топлива черной дыры.

Чтобы исследовать этот процесс, исследователи использовали JWST для изучения NGC 4696, крупнейшей центральной галактики в скоплении Центавра. Это скопление представляет собой плотное скопление галактик, находящееся примерно в 145 миллионах световых лет от Земли, и считается одним из лучших мест для изучения взаимодействия активных галактических ядер с их окружением.

Команда наблюдала NGC 4696 в течение почти восьми часов, используя инструмент NIRSpec на JWST. NIRSpec разделяет инфракрасный свет на составляющие его длины волн, позволяя ученым определять, как движется газ, из чего он состоит и как его свойства меняются в зависимости от региона.

Полученные карты отслеживали движение газа глубоко внутри сферы влияния черной дыры. Это область, где гравитация черной дыры доминирует над движением близлежащего материала.

JWST разрешил структуры размером примерно 30 световых лет в поперечнике. Хотя это расстояние огромно по человеческим меркам, это удивительно высокий уровень детализации внутри галактики, простирающейся на сотни тысяч световых лет.

Газ, вливающийся во вращающийся диск

Наблюдения показали, что S-образная структура вблизи центра галактики на самом деле является вращающимся диском газа вокруг сверхмассивной черной дыры.

Диск простирается почти на 800 световых лет в поперечнике, и часть материала внутри него движется со скоростью до 600 километров в секунду.

Самое главное, диск, по-видимому, физически связан с одной из крупных втекающих газовых нитей галактики. Данные JWST показывают газ, движущийся вдоль филамента и поступающий во вращающийся диск, который снабжает материалом черную дыру.

Эта связь является одним из самых сильных наблюдательных доказательств того, что холодные газовые филаменты могут действовать как каналы питания для сверхмассивных черных дыр.

Замыкание петли обратной связи черной дыры

Результаты помогают заполнить недостающие шаги более крупного цикла.

Во-первых, джеты, запущенные активной черной дырой, впрыскивают энергию в окружающий галактический газ. Со временем части этого газа остывают, становятся нестабильными и коллапсируют в тонкие филаменты. Некоторые из этих структур имеют ширину всего несколько сотен световых лет, но простираются на тысячи световых лет.

Когда газ падает внутрь, магнитные силы могут помочь уменьшить его вращение и направить к центру. Затем материал собирается во вращающийся диск вокруг черной дыры.

Диск питает черную дыру, черная дыра питает новые джеты, а эти джеты снова нагревают окружающий газ.

Таким образом, черная дыра может помочь создать условия, которые в конечном итоге обеспечат ее следующую поставку топлива.

Симуляции подтверждают наблюдения JWST

Исследователи также использовали продвинутые компьютерные симуляции, чтобы проверить, может ли это объяснение воспроизвести поведение, наблюдаемое JWST.

Смоделированный газ двигался и конденсировался таким образом, который очень напоминал наблюдаемую систему. Это совпадение обеспечивает независимую поддержку идеи о том, что охлаждающий газ, магнитные поля и джеты черных дыр работают вместе в саморегулирующемся цикле.

«Было очень интересно участвовать в этом проекте, — сказал профессор физики и астрономии Университета штата Мичиган Марк Войт. — Расчеты, выполненные нашей группой из штата Мичиган, предсказывали, что магнитные поля должны помогать питать самые большие черные дыры во Вселенной, направляя к ним холодный газ, и удивительно видеть, что это происходит на этих изображениях JWST».

Источники:

Materials provided by Michigan State University.