Korzystanie z Kosmiczny Teleskop Jamesa Webbaastronomowie odkryli, że supermasywne czarne dziury mogą wyczerpać zasoby niezbędne do powstawania gwiazd w galaktykach macierzystych, skutecznie je głodząc.
Zaobserwowano to w galaktyce podobnej wielkości do Droga Mlecznaznajdujący się we wczesnym wszechświecie. Odkrycie ujawnia, że czarna dziura aktywnie zapobiega powstawaniu gwiazd poprzez wydalanie niezbędnego gazu gwiazdotwórczego z dużymi prędkościami.
Obserwowanie „martwej” galaktyki
Astronomowie wykorzystali Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, aby potwierdzić, że supermasywne czarne dziury mogą pozbawiać galaktyki macierzyste paliwa potrzebnego do formowania nowych gwiazd.
Międzynarodowy zespół pod przewodnictwem Uniwersytetu w Cambridge wykorzystał Webba do obserwacji galaktyki mniej więcej wielkości Drogi Mlecznej we wczesnym Wszechświecie, około dwa miliardy lat po Wielki Wybuch. Podobnie jak większość dużych galaktyk, ma w swoim centrum supermasywną czarną dziurę. Jednak ta galaktyka jest w zasadzie „martwa”: w większości przestała tworzyć nowe gwiazdy.
Odsłonięcie wygaśnięcia „Galaktyki Pabla”
„Na podstawie wcześniejszych obserwacji wiedzieliśmy, że ta galaktyka jest w stanie wygasłym: biorąc pod uwagę jej rozmiar, nie tworzy wielu gwiazd i spodziewamy się, że istnieje związek między czarną dziurą a końcem procesu gwiazdotwórczego” – powiedział współautor dr Francesco D’Eugenio z Instytutu Kosmologii Kavli w Cambridge. „Jednak do czasu Webba nie byliśmy w stanie badać tej galaktyki wystarczająco szczegółowo, aby potwierdzić to powiązanie i nie wiedzieliśmy, czy ten wygaszony stan jest tymczasowy czy trwały”.
Galaktyka ta, oficjalnie nazwana GS-10578, ale także „Galaktyka Pabla” na cześć kolegi, który zdecydował się ją szczegółowo obserwować, jest masywna jak na tak wczesny okres istnienia Wszechświata: jej całkowita masa jest około 200 miliardów razy większa od masy naszego Słońca, a większość jego gwiazd powstała między 12,5 a 11,5 miliarda lat temu.
Rola wiatrów wywołanych czarną dziurą
„We wczesnym Wszechświecie większość galaktyk tworzy wiele gwiazd, dlatego interesujące jest obserwowanie tak masywnej, martwej galaktyki w tym okresie” – powiedział współautor, profesor Roberto Maiolino, również z Instytutu Kosmologii Kavli. „Gdyby miał wystarczająco dużo czasu, aby osiągnąć tak ogromny rozmiar, jakikolwiek proces, który zatrzymał powstawanie gwiazd, prawdopodobnie nastąpiłby stosunkowo szybko”.
Korzystając z Webba, naukowcy odkryli, że galaktyka ta wyrzuca duże ilości gazu z prędkością około 1000 kilometrów na sekundę, czyli wystarczająco szybko, aby uciec przed przyciąganiem grawitacyjnym galaktyki. Te szybko poruszające się wiatry są „wypychane” z galaktyki przez czarną dziurę.
Podobnie jak inne galaktyki z akreującymi czarnymi dziurami, „Galaktyka Pabla” charakteryzuje się szybko wypływającymi wiatrami gorącego gazu, ale te obłoki gazu są słabe i mają niewielką masę. Webb wykrył obecność nowego składnika wiatru, którego nie można było dostrzec za pomocą wcześniejszych teleskopów. Gaz ten jest zimniejszy, czyli gęstszy i – co najważniejsze – nie emituje światła. Webb dzięki swojej wyjątkowej czułości może dostrzec te ciemne obłoki gazu, ponieważ blokują one część światła galaktyki znajdującej się za nimi.
Konsekwencje aktywności czarnej dziury dla powstawania gwiazd
Masa gazu wyrzucanego z galaktyki jest większa niż masa gazu potrzebna galaktyce do dalszego formowania się nowych gwiazd. Krótko mówiąc, czarna dziura zagłodzi galaktykę na śmierć. Wyniki opublikowano dzisiaj (16 września) w czasopiśmie Astronomia przyrodnicza.
„Znaleźliśmy winowajcę” – powiedział D’Eugenio. „Czarna dziura zabija tę galaktykę i utrzymuje ją w stanie uśpienia, odcinając źródło„ pożywienia ”, którego galaktyka potrzebuje do tworzenia nowych gwiazd.”
Chociaż wcześniejsze modele teoretyczne przewidywały, że czarne dziury mają taki wpływ na galaktyki, przed Webbem bezpośrednie wykrycie tego efektu nie było możliwe.
Wcześniejsze modele przewidywały, że koniec formowania się gwiazd ma gwałtowny, turbulentny wpływ na galaktyki, niszcząc przy tym ich kształt. Jednak gwiazdy w tej galaktyce w kształcie dysku nadal poruszają się w uporządkowany sposób, co sugeruje, że nie zawsze tak jest.
„Wiedzieliśmy, że czarne dziury mają ogromny wpływ na galaktyki i być może często powstrzymują powstawanie gwiazd, ale do czasu Webba nie byliśmy w stanie tego bezpośrednio potwierdzić” – powiedział Maiolino. „To kolejny sposób, w jaki Webb stanowi ogromny krok naprzód, jeśli chodzi o naszą zdolność do badania wczesnego Wszechświata i jego ewolucji”.
Nowe obserwacje za pomocą Atacama Large Millimeter-Submillimiter Array (ALMA), którego celem są najzimniejsze i najciemniejsze gazowe składniki Galaktyki, powie nam więcej o tym, czy i gdzie w tej galaktyce jest jeszcze ukryte paliwo potrzebne do powstawania gwiazd oraz jaki jest wpływ supermasywnej czarnej dziury w regionie otaczającym galaktykę.
Odniesienie: „Galaktyka szybko rotująca po wybuchu gwiazdowym wygaszona przez sprzężenie zwrotne supermasywnej czarnej dziury przy z=3” 16 września 2024 r., Astronomia przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02345-1
Badania były częściowo wspierane przez Towarzystwo Królewskie, Unię Europejską, Europejską Radę ds. Badań Naukowych oraz Radę ds. Obiektów Naukowych i Technologicznych (STFC), będącą częścią brytyjskiej organizacji ds. badań i innowacji (UKRI).
