«Тихие» черные дыры оказались архитекторами галактик

Наплыв данных, полученных за последние годы с помощью новейших телескопов, позволил ученым всерьез задуматься о пересмотре истории ранней Вселенной. Дело в том, что галактики, появившиеся всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, оказались массивными и зрелыми, будто у них было куда больше времени на формирование. Эти данные не вполне укладываются в Стандартную космологическую модель, о чем Naked Science рассказывал ранее.

Одна из наиболее обсуждаемых гипотез гласит, что ключевую роль в «ускоренном взрослении» галактик сыграли сверхмассивные черные дыры: чем активнее они аккрецируют вещество, тем сильнее нагревают и возмущают окружающий газ, из которого рождаются звезды. Но чем в таком случае питались эти космические «монстры»?

В попытках ответить на вопрос международная исследовательская группа под руководством Анила Сета (Anil C. Seth) из Университета штата Юты (США) сосредоточилась не на квазарах — активных ядрах галактик, где сверхмассивная черная дыра поглощает материю в огромных количествах, — а на ближайших галактиках, в центрах которых расположены «тихие» черные дыры (LLAGN). Последние поглощают вещество, но излучают значительно меньше энергии, чем сейфертовские галактики и квазары. 

Древний квазар выбросил радиоджеты длиннее нашей Галактики Одни из самых ярких объектов во Вселенной — квазары — представляют собой активные ядра галактик, питаемые центральными сверхмассивными черными дырами. Электромагнитное излучение, испускаемое этими … naked-science.ru

Всего исследователи наблюдали семь ближайших галактик с маломощными активными ядрами: NGC 1052, NGC 3227, NGC 3516, NGC 3998, NGC 4579, NGC 4278 и NGC 4594 (галактика Сомбреро). Наблюдения проводили в 2022-2023 годах с помощью спектрометров NIRSpec и MIRI, установленных на борту «Уэбба», в диапазоне от 1,66 до 28,9 микрометра. Так ученые идентифицировали 131 спектральную линию и проследили, как «тихие» космические «монстры» воздействуют на окружающий межзвездный газ.

Выяснилось, что наблюдаемые объекты продолжают генерировать фотоны энергией порядка 100 электронвольт и способны ионизировать окружающий газ. Более того, признаки активности черных дыр присутствовали даже в самых тусклых ядрах галактик.

Анализ спектров выявил еще одну интересную деталь: при падении темпа аккреции ниже определенного порога спектральное распределение излучения резко менялось. В частности, у «голодающих» черных дыр доминировало более жесткое и разреженное излучение, соответствующее радиационно-неэффективному режиму аккреции (RIAF). Проще говоря, по мере успокоения ядра менялась сама физика падения вещества на черную дыру.

В молодой Вселенной сверхмассивные черные дыры росли быстрее своих галактик Кто растет первым: сверхмассивная черная дыра или окружающая ее галактика? При наблюдениях молодой Вселенной «отделить» галактику от ее дыры и оценить ее массу очень непросто. С помощью космическог… naked-science.ru

Ослабление светимости, однако, не означает ослабления влияния центрального объекта на межзвездный газ. Молекулярный водород в центральных областях наблюдаемых галактик был разогрет сильнее, чем в типичных звездообразующих системах: температуры газа там оказались выше ожидаемых значений. Это указывает на весомый вклад в процесс джетов и турбулентных потоков, которые возмущают межзвездную среду.

По сути, авторы научной работы, опубликованной на сервере препринтов Корнеллского университета, увидели, что «тихие» активные ядра галактик не поглощают газ мгновенно и не выдувают его полностью. Они меняют его состояние: нагревают, ионизируют и создают неоднородности, тем самым меняя условия, при которых может происходить рождение новых светил.

Такая картина хорошо согласуется с идеей положительной обратной связи, согласно которой активность черной дыры на определенном этапе может не подавлять, а стимулировать звездообразование. Если подобные процессы действовали в ранней Вселенной, где газа в протогалактиках было намного больше, влияние сверхмассивных черных дыр могло быть куда масштабнее. То есть в молодых галактиках происходили ускоренный рост звездной массы и быстрое «созревание» системы.

Результаты нового исследования не ставят точку в споре о том, были ли черные дыры архитекторами галактик в ранней Вселенной. Но добавляют аргумент в пользу того, что даже в самом экономном режиме «тихие» ядра галактик остаются не пассивными центральными объектами, а активными участниками галактической эволюции.