Wiatry magnetyczne napędzają wzrost supermasywnych czarnych dziur w pobliskiej galaktyce

Nowo odkryty proces przypomina proces narodzin gwiazd i planet.

A Uniwersytet Północno-Zachodni uczyć się używając ALMA Dane z obserwatoriów ujawniły, że wirujące wiatry magnetyczne przyspieszają wzrost supermasywnych czarnych dziur, podobnie jak procesy formowania się gwiazd. To odkrycie w galaktyce ESO320-G030 zapewnia nowy wgląd w mechanizmy wzrostu masywnych istot kosmicznych.

Badając pobliską galaktykę ESO320-G030, zespół międzynarodowych astronomów pod kierownictwem Northwestern University odkrył niezwykle potężne wirujące wiatry magnetyczne, które pomagają supermasywnemu centrum galaktyki czarna dziura rosnąć.

Proces ten jest uderzająco podobny do narodzin nowych gwiazd i planet, które zasilane są przez wiry gazu i pyłu. Nowe odkrycie dostarcza nieznanej wcześniej wskazówki do rozwiązania długotrwałej zagadki tego, jak supermasywne czarne dziury rosną i ważą miliony, a nawet miliardy gwiazd.

„Powszechnie wiadomo, że gwiazdy na pierwszych etapach swojej ewolucji rosną za pomocą wirujących wiatrów – przyspieszanych przez pola magnetyczne, podobnie jak wiatr w tej galaktyce” – powiedział Mark Gorski z Northwestern, który kierował badaniami. „Nasze obserwacje pokazują, że supermasywne czarne dziury i maleńkie gwiazdy mogą rosnąć w wyniku podobnych procesów, ale w bardzo różnych skalach”.

Badanie opublikowano wiosną tego roku w czasopiśmie Astronomia i astrofizyka.

Ekspert w dziedzinie ewolucji galaktyk, Gorski jest doktorantem w Northwestern’s Centrum Badań Interdyscyplinarnych i Eksploracyjnych w Astrofizyce (CIERA). Kiedy badania się rozpoczęły, Górski był pracownikiem naukowym ze stopniem doktora na Uniwersytecie im Politechnika Chalmers w Szwecji.

Szpiegowanie sąsiada Drogi Mlecznej

Większość galaktyk, łącznie z naszą droga Mleczna, mają w swoich centrach supermasywną czarną dziurę. To, w jaki sposób te zadziwiająco masywne obiekty rosną do super rozmiarów, pozostaje nierozwiązaną tajemnicą.

W poszukiwaniu wskazówek Górski i jego współpracownicy spojrzeli na stosunkowo pobliską galaktykę ESO320-G030, położoną zaledwie 120 milionów lat świetlnych od Ziemi. ESO320-G030 to wysoce aktywna galaktyka, w której gwiazdy powstają 10 razy szybciej niż Droga Mleczna. Astronomowie zbadali galaktykę za pomocą teleskopów w Obserwatorium Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) w Chile.

„Ponieważ ta galaktyka jest bardzo jasna w podczerwieni, teleskopy są w stanie dostrzec uderzające szczegóły w jej centrum” – powiedziała współautorka badania Susanne Aalto, profesor radioastronomii na Politechnice Chalmers. „Chcieliśmy zmierzyć światło cząsteczek przenoszonych przez wiatry z jądra galaktyki, mając nadzieję prześledzić, w jaki sposób wiatry są wywoływane przez rosnącą – lub wkrótce rosnącą – supermasywną czarną dziurę. Dzięki ALMA byliśmy w stanie zbadać światło spoza grubych warstw pyłu i gazu.”

„Wyraźny dowód na wirujący wiatr”

Aby zbadać gęsty gaz, który unosi się blisko centralnej czarnej dziury ESO320-G030, naukowcy badali światło pochodzące z cząsteczek cyjanowodoru. Korzystając z technologii efektu Dopplera, badacze zobrazowali drobne szczegóły i ślady ruchów w gazie, co ujawniło wzorce sugerujące obecność namagnesowanego, wirującego wiatru.

Podczas gdy inne wiatry i dżety zazwyczaj wypychają materię z centralnej supermasywnej czarnej dziury w galaktyce, nowo odkryty wiatr dodaje kolejny proces, który zamiast tego zasila czarną dziurę i pomaga jej rosnąć.

Naukowcy porównują materię poruszającą się wokół czarnej dziury do wody krążącej w drenie. Gdy materia zbliża się do czarnej dziury, najpierw gromadzi się w chaotycznym, wirującym dysku. Tam pola magnetyczne rozwijają się i stają się silniejsze. Pola magnetyczne pomagają unieść materię z galaktyki, tworząc wir wiatru. W miarę jak materia jest tracona przez wiatr, wirujący dysk zwalnia, co zamienia powolną strużkę materii w strumień, co oznacza, że ​​materia łatwiej przepływa do czarnej dziury.

„Widzimy, jak wiatry tworzą spiralną strukturę wydobywającą się z centrum galaktyki” – powiedział Aalto. „Kiedy zmierzyliśmy rotację, masę i prędkość materii wypływającej na zewnątrz, ze zdziwieniem odkryliśmy, że możemy wykluczyć wiele wyjaśnień siły wiatru, w tym na przykład powstawanie gwiazd. Zamiast tego przepływ na zewnątrz może być napędzany napływem gazu i wydaje się, że jest utrzymywany razem przez pola magnetyczne”.

Przyszłe kierunki badań astronomicznych

Następnie badacze planują zbadać centra innych galaktyk w poszukiwaniu ukrytych spiralnych wypływów.

„W naszych obserwacjach widzimy wyraźne dowody na wirujący wiatr, który pomaga regulować wzrost centralnej czarnej dziury w galaktyce” – powiedział Górski. „Teraz, gdy wiemy, czego szukać, następnym krokiem jest sprawdzenie, jak powszechne jest to zjawisko. A jeśli jest to etap, przez który przechodzą wszystkie galaktyki z supermasywnymi czarnymi dziurami, co dzieje się z nimi dalej? Nie ma odpowiedzi na wszystkie pytania dotyczące tego procesu.”

Odniesienie: „Spektakularny magnetohydrodynamiczny wiatr napędzany w skali galaktycznej ESO 320-G030” autorstwa MD Gorski, S. Aalto, S. König, CF Wethers, C. Yang, S. Muller, K. Onishi, M. Sato, N. Falstad, JG Mangum, ST Linden, F. Combes, S Martín, M. Imanishi, K. Wada, L. Barcos-Muñoz, F. Stanley, S. García-Burillo, PP van der Werf, AS Evans, C. Henkel, S. Viti, N. Harada, T. Díaz -Santos, JS Gallagher i E. González-Alfonso, 10 kwietnia 2024 r., Astronomia i astrofizyka.
DOI: 10.1051/0004-6361/202348821

Badanie uzyskało wsparcie Szwedzkiej Rady ds. Badań Naukowych (numer grantu 621-2011-4143), Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych i węzła Regionalnego Centrum Nordyckiego ALMA z siedzibą w Obserwatorium Kosmicznym Onsala.