JWST розкрив, як харчуються надмасивні чорні діри

Завдяки космічному телескопу «Джеймс Вебб» (JWST) астрономи отримали зображення газових філаментів, які з’єднують гарячу атмосферу галактики з обертовим газовим диском, що живить її центральну надмасивну чорну діру.

Про це розповідають в Мічиганському державному університеті (MSU), передають OstanniPodii.com.

MSU допоміг міжнародній команді під керівництвом Монреальського університету провести спостереження та проаналізувати дані, знайшовши відповіді на питання, яке десятиліттями ставило в глухий кут вчених. Результати були опубліковані в журналі «The Astrophysical Journal Letters» 14 липня.

«Спостереження за допомогою JWST дають нам тисячі нових фактів і вимірювань, і можу сказати, що це дуже великий обсяг інформації, який потрібно осмислити», — зазначила Меган Донаг′ю, заслужена професорка фізики та астрономії MSU. «Ми всі разом працюємо над вирішенням астрофізичних питань щодо того, як ці чорні діри отримують паливо та як вони взаємодіють зі своєю галактикою-господарем».

Саморегулювання чорних дір

Майже кожна велика галактика у Всесвіті має у своєму центрі надмасивну чорну діру (SMBH), маса якої у мільйони, а то й мільярди разів перевищує масу Сонця. Коли ці чорні діри активно втягують навколишню матерію, вони запускаються, немов космічні двигуни, випускаючи назовні потужні струмені (джети) енергії, здатні формувати всю галактику навколо себе, сповільнюючи народження нових зірок і впливаючи на те, як галактика зростає з часом. Астрономи називають такі типи чорних дір активними галактичними ядрами (AGN).

Але якщо джети AGN нагрівають навколишній газ, це, в принципі, має перекрити надходження «їжі» до чорної діри. Тож як вона продовжує живитися й зростати?

Провідною гіпотезою є те, що газ зрештою знову охолоджується, конденсується у довгі тонкі струмені, які називаються філаментами, і падає назад до центру галактики в рамках процесу із саморегулюванням.

Щоб перевірити цю гіпотезу, команда націлила JWST на галактику NGC 4696 — центральну галактику скупчення Кентавра, щільної групи галактик, розташованої на відстані близько 145 мільйонів світлових років від Землі та однієї з найкращих лабораторій для вивчення механізмів роботи AGN.

Знімок еліптичної галактики NGC 4696, розташованої в центрі скупчення Кентавра, зроблений космічним телескопом «Габбл». На цьому знімку видно пилові філаменти, що оточують центр галактики. Credit: NASA, ESA/Hubble, A. Fabian

Завдяки майже восьми годинам спостережень за допомогою приладу NIRSpec (Спектрограф ближнього інфрачервоного діапазону) телескопа JWST команда створила детальні карти руху газу глибоко всередині сфери впливу чорної діри з роздільною здатністю, достатньою для виявлення об’єктів розміром приблизно 30 світлових років — крихітного фрагмента галактики, ширина якої становить сотні тисяч світлових років.

Ці карти показали, що S-подібний вихор насправді є обертовим диском газу, що огортає надмасивну чорну діру, діаметром майже 800 світлових років, де речовина обертається зі швидкістю до 600 кілометрів на секунду. І що найважливіше, цей диск, як видається, фізично пов’язаний з одним із великих філаментів, що падають у чорну діру та простягаються назовні в галактику. Спостереження показали, що газ тече вздовж цього філаменту та вливається в диск, який живить надмасивну чорну діру.

Замикання циклу

Це дослідження допомагає астрономам скласти більш повне уявлення про весь цикл живлення надмасивної чорної діри. Джети з чорної діри подають енергію в газ, що оточує галактику. Згодом цей газ охолоджується, стає нестабільним і колапсує, утворюючи довгі філаменти, деякі з яких мають ширину лише кілька сотень світлових років, але простягаються на тисячі світлових років у довжину. Магнітні сили уповільнюють обертання газу під час його падіння, спрямовуючи його всередину. Він накопичується у вигляді обертового диска навколо чорної діри. Диск живить чорну діру. Чорна діра випускає свої джети. І цикл починається знову.

Щоб перевірити, чи витримує це пояснення перевірку, команда також провела найсучасніші комп’ютерні моделювання системи. Змодельований газ поводився так, що це дуже точно відповідало спостереженням JWST, що надає сильну незалежну підтримку запропонованій моделі.

«Було справді захопливо брати участь у цьому проєкті», — сказав професор фізики та астрономії MSU Марк Войт. «Розрахунки, виконані нашою групою з Мічиганського державного університету, передбачають, що магнітні поля повинні сприяти живленню найбільших чорних дір у Всесвіті, спрямовуючи до них холодний газ, і дивовижно бачити, як це відбувається на цих знімках JWST».

• телескоп Вебба
• Чорні діри