JWST раскрыл, как питаются сверхмассивные чёрные дыры

Благодаря космическому телескопу «Джеймс Уэбб» (JWST) астрономы получили изображение газовых филаментов, соединяющих горячую атмосферу галактики с вращающимся газовым диском, питающим её центральную сверхмассивную чёрную дыру.

Об этом сообщают в Мичиганском государственном университете (MSU), передают OstanniPodii.com.

MSU помог международной команде под руководством Монреальского университета провести наблюдения и проанализировать данные, найдя ответы на вопрос, который десятилетиями ставил ученых в тупик. Результаты были опубликованы в журнале «The Astrophysical Journal Letters» 14 июля.

«Наблюдения с помощью JWST дают нам тысячи новых фактов и измерений, и могу сказать, что это очень большой объем информации, который нужно осмыслить», — отметила Меган Донагью, заслуженный профессор физики и астрономии MSU. «Мы все вместе работаем над решением астрофизических вопросов о том, как эти чёрные дыры получают топливо и как они взаимодействуют со своей галактикой-хозяином».

Саморегулирование чёрных дыр

Почти каждая крупная галактика во Вселенной имеет в своём центре сверхмассивную чёрную дыру (SMBH), масса которой в миллионы, а то и миллиарды раз превышает массу Солнца. Когда эти чёрные дыры активно втягивают окружающую материю, они запускаются, словно космические двигатели, выбрасывая наружу мощные струи (джеты) энергии, способные формировать всю галактику вокруг себя, замедляя рождение новых звёзд и влияя на то, как галактика растёт со временем. Астрономы называют такие типы чёрных дыр активными галактическими ядрами (AGN).

Но если джеты AGN нагревают окружающий газ, это, в принципе, должно перекрыть поступление «пищи» в чёрную дыру. Так как же она продолжает питаться и расти?

Ведущая гипотеза заключается в том, что газ в конечном итоге снова охлаждается, конденсируется в длинные тонкие струи, называемые филаментами, и падает обратно в центр галактики в рамках саморегулирующегося процесса.

Чтобы проверить эту гипотезу, команда нацелила JWST на галактику NGC 4696 — центральную галактику скопления Кентавра, плотной группы галактик, расположенной на расстоянии около 145 миллионов световых лет от Земли и являющейся одной из лучших лабораторий для изучения механизмов работы AGN.

Снимок эллиптической галактики NGC 4696, расположенной в центре скопления Кентавра, сделанный космическим телескопом «Хаббл». На этом снимке видны пылевые филаменты, окружающие центр галактики. Credit: NASA, ESA/Hubble, A. Fabian

Благодаря почти восьми часам наблюдений с помощью прибора NIRSpec (Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона) телескопа JWST команда создала подробные карты движения газа глубоко внутри сферы влияния черной дыры с разрешением, достаточным для обнаружения объектов размером примерно в 30 световых лет — крошечного фрагмента галактики, ширина которой составляет сотни тысяч световых лет.

Эти карты показали, что S-образный вихрь на самом деле представляет собой вращающийся диск газа, окружающий сверхмассивную чёрную дыру, диаметром почти 800 световых лет, где вещество вращается со скоростью до 600 километров в секунду. И что самое важное, этот диск, по-видимому, физически связан с одним из крупных филаментов, падающих в чёрную дыру и простирающихся наружу в галактику. Наблюдения показали, что газ течёт вдоль этого филамента и вливается в диск, питающий сверхмассивную чёрную дыру.

Замыкание цикла

Это исследование помогает астрономам составить более полное представление обо всем цикле питания сверхмассивной чёрной дыры. Джеты из чёрной дыры подают энергию в газ, окружающий галактику. Впоследствии этот газ охлаждается, становится нестабильным и коллапсирует, образуя длинные филаменты, некоторые из которых имеют ширину всего несколько сотен световых лет, но простираются на тысячи световых лет в длину. Магнитные силы замедляют вращение газа во время его падения, направляя его внутрь. Он накапливается в виде вращающегося диска вокруг чёрной дыры. Диск питает чёрную дыру. Чёрная дыра выбрасывает свои джеты. И цикл начинается заново.

Чтобы проверить, выдерживает ли это объяснение проверку, команда также провела самые современные компьютерные моделирования системы. Смоделированный газ вел себя так, что это очень точно соответствовало наблюдениям JWST, что дает весомую независимую поддержку предложенной модели.

«Было действительно увлекательно участвовать в этом проекте», — сказал профессор физики и астрономии MSU Марк Войт. «Расчёты, выполненные нашей группой из Мичиганского государственного университета, предсказывают, что магнитные поля должны способствовать питанию крупнейших чёрных дыр во Вселенной, направляя к ним холодный газ, и удивительно видеть, как это происходит на этих снимках JWST».

• телескоп Уэбба