Астрономы обнаружили признаки того, что сверхмассивные черные дыры способны влиять на газ далеко за пределами видимой части галактик. Узкие струи раскаленной плазмы — джеты — распространяются на сотни тысяч световых лет и оставляют вдоль своего пути светящийся след из ионизированного водорода, рассказывает Sciencedaily.

Это может объяснить одну из загадок эволюции галактик: почему, несмотря на огромные запасы газа вокруг них, многие галактики со временем перестают активно формировать звезды. Исследование ученых из Университета штата Аризона и Института фундаментальных исследований Рамана опубликовано в Astrophysical Journal Letters.

Вокруг галактик есть огромный запас материала для новых звезд

Каждая звезда начинается с холодного плотного газа. Крупные галактики, включая Млечный Путь, окружены гигантским резервуаром такого вещества — окологалактической средой, или CGM.

Она простирается примерно в 10–20 раз дальше видимой части галактики. Со временем газ может остывать, перемещаться внутрь, собираться в плотные облака и становиться материалом для рождения новых звезд.

Возникает естественный вопрос: если вокруг галактик находится столько потенциального звездного топлива, почему звезды не образуются гораздо активнее?

Астрономы давно предполагают, что какой-то механизм не позволяет значительной части газа достаточно охладиться и упасть обратно в галактику. Новая работа указывает на один из возможных механизмов — активность сверхмассивных черных дыр.

Маленькая черная дыра влияет на пространство в тысячи раз больше себя

Когда сверхмассивная черная дыра активно поглощает окружающее вещество, она может выделять огромное количество энергии. Часть этой энергии направляется в пространство в виде узких струй раскаленной плазмы.

При этом сама черная дыра ничтожно мала по сравнению с галактикой. Сверхмассивная черная дыра может быть сопоставима по масштабу с Солнечной системой, тогда как ее галактика содержит около 100 млрд звезд.

«Удивительный вопрос заключается в следующем: как что-то настолько маленькое может энергетически воздействовать на нечто настолько огромное?» — говорит соавтор исследования Намрата Рой.

Новые наблюдения дают представление о том, как это происходит.

Астрономы искали свечение вдоль джетов

Исследователи изучили галактики с активными черными дырами, выбрасывающими мощные джеты. Эти потоки горячей быстро движущейся плазмы могут выходить далеко за пределы видимой части галактики и проникать в CGM.

Ученые искали признаки того, что джеты меняют состояние окружающего газа. Для этого они наблюдали излучение ионизированного водорода, в частности линию H-alpha.

Для отдельной галактики такой сигнал слишком слаб, поэтому исследователи объединили данные о сотнях галактик с активными джетами. Они использовали оптические наблюдения Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) и данные о радиоизлучении джетов из обзора LOFAR Two-meter Sky Survey (LoTSS).

Результат оказался неожиданным именно своей направленностью. Если усреднить газ вокруг галактик по всем направлениям, сигнал H-alpha остается слабым. Но вдоль осей, по которым распространяются радио-джеты, свечение становится значительно сильнее.

Получается, джет не просто равномерно освещает окружающее пространство. Он действует скорее как направленный луч, который ионизирует газ непосредственно на своем пути.

Влияние черной дыры доходит до края окологалактической среды

Исследователи обнаружили особенно яркое свечение ионизированного водорода в двух областях.

Первая расположена относительно близко к галактике — там, где джет впервые сталкивается с окологалактической средой. Вторая находится гораздо дальше, около внешнего края CGM. Именно там джет, судя по данным, может отдавать значительную часть своей энергии окружающему газу.

Таким образом, черная дыра в центре галактики способна передавать энергию на расстояния в сотни тысяч световых лет.

«Меня больше всего поражает масштаб этой связи, — говорит Рой. — Черная дыра невероятно мала по сравнению с галактикой, но ее влияние может достигать сотен тысяч световых лет, далеко в ее внешние области».

При этом исследователи нашли важное подтверждение своей интерпретации. Они изучили магний как индикатор более холодного газа. В отличие от H-alpha, его распределение оказалось гораздо более равномерным и не было связано с направлением джета.

Это говорит о том, что холодный газ уже присутствует вокруг галактики как относительно равномерный резервуар. А джет, проходя через него, локально нагревает и ионизирует вещество, заставляя его светиться в H-alpha.

Джеты могут лишать галактики топлива для новых звезд

Именно здесь наблюдаемый эффект может быть связан с долгосрочной судьбой галактики.

Если джеты нагревают, перемешивают и возмущают газ в CGM, ему становится сложнее охладиться и попасть обратно в галактику. А без постоянного притока холодного газа у галактики остается меньше материала для формирования новых звезд.

Таким образом, активная черная дыра потенциально может работать как своеобразный тормоз звездного образования. На больших временных масштабах ее активность способна способствовать переходу галактики в спокойное состояние, при котором новые звезды рождаются гораздо медленнее.

Черная дыра в таком случае влияет не только на ближайшее окружение, из которого она сама получает вещество. Ее энергетическое воздействие распространяется на огромную область вокруг всей галактики.

Решающим оказалось направление

Предыдущие исследования уже пытались найти подобные сигналы, но не всегда обнаруживали их. Новая работа предполагает, что причина могла быть в методике поиска.

Если считать, что окологалактический газ распределен и ведет себя одинаково во всех направлениях, эффект джетов легко потерять среди слабого общего сигнала. Исследователи вместо этого сравнили газ вдоль направления джетов с остальной частью CGM.

Именно такая ориентация наблюдений позволила увидеть характерный след: водород становится ярче именно там, где через него проходят потоки плазмы от черной дыры.

Работа также показывает, насколько полезным может быть объединение данных разных типов. Оптические наблюдения DESI и радиоизмерения LoTSS позволили связать свечение газа с направлением джетов и увидеть эффект, который практически невозможно обнаружить по одной галактике.

Теперь этот результат дает астрономам новый способ изучать взаимодействие сверхмассивных черных дыр с их галактиками и проверять модели, объясняющие, почему одни галактики продолжают формировать звезды, а другие постепенно затихают.