Окись углерода (CO; указывает на наличие молекулярного газа средней плотности) показана красным; атомарный углерод (C; указывает на наличие атомарного газа) синим цветом; цианистый водород (HCN; указывает на наличие молекулярного газа высокой плотности) зеленого цвета; и линия рекомбинации водорода (H36α; указывает на наличие ионизированного газа) розового цвета. Размер центрального диска плотного газа (зеленый) составляет примерно 6 световых лет. Истечение плазмы движется почти перпендикулярно диску. Фото: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Т. Изуми и др.
Международная исследовательская группа под руководством Такумы Идзуми, доцента Национальной астрономической обсерватории Японии, достигла важной вехи, наблюдая близлежащее активное галактическое ядро Галактики Цирцин с чрезвычайно высоким разрешением (около 1 светового года) с помощью Большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка Атакамы (ALMA).
Эти результаты наблюдений под названием «Питание сверхмассивной черной дыры и обратная связь, наблюдаемая в масштабах субпарсека», опубликованы в журнале Science.
Это знаменует собой первое в мире количественное измерение газовых потоков и их структур в непосредственной близости, вплоть до масштаба нескольких световых лет, от сверхмассивной черной дыры во всех газовых фазах, включая плазменную, атомную и молекулярную. В результате команда четко зафиксировала поток аккреции, направляющийся к сверхмассивной черной дыре, и обнаружила, что этот поток аккреции генерируется физическим механизмом, известным как «гравитационная нестабильность».
Кроме того, команда также обнаружила, что значительная часть этого аккреционного потока не используется для роста черной дыры. Вместо этого большая часть газа выбрасывается из окрестностей черной дыры в виде атомных или молекулярных потоков и возвращается обратно в газовый диск, чтобы снова участвовать в аккреционном потоке к черной дыре: этот процесс рециркуляции газа сродни фонтану с водой. . Эти результаты представляют собой решающий шаг на пути к всестороннему пониманию механизмов роста сверхмассивных черных дыр.
В центрах многих массивных галактик существуют «сверхмассивные черные дыры» с массами, в миллион раз превышающими солнечную. Как образуются эти сверхмассивные черные дыры? Одним из важнейших механизмов роста, предложенных предыдущими исследованиями, является «аккреция газа» на черную дыру. Это относится к процессу, в котором газ родительской галактики каким-то образом падает в сторону центральной черной дыры.
Газ, который собирается очень близко к сверхмассивным черным дырам, ускоряется на высоких скоростях из-за гравитации черной дыры. В результате интенсивного трения между частицами газа этот газ нагревается до температур, достигающих нескольких миллионов градусов, и излучает яркий свет. Это явление известно как активное галактическое ядро (АЯГ), и его яркость иногда может превосходить совокупный свет всех звезд галактики. Интересно, что часть газа, падающего в сторону черной дыры (аккреционный поток), как полагают, сдувается огромной энергией этого активного галактического ядра, что приводит к утечкам.
Иллюстрация, изображающая распределение межзвездной среды в активном ядре галактики по результатам этого наблюдения. Молекулярный газ высокой плотности течет из галактики в сторону черной дыры вдоль плоскости диска. Материал, накопленный вокруг черной дыры, генерирует огромное количество энергии, вызывая разрушение молекулярного газа и преобразование его в атомную и плазменную фазы. Большая часть этих многофазных газов выбрасывается через истечения из ядра (включая истечения плазмы, происходящие в основном в направлении над диском, и истечения атомов или молекул, происходящие в основном по диагонали), но большая часть этих истечений будет падать обратно на диск, действуя как газовый фонтан. Фото: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Т. Изуми и др.
Как теоретические, так и наблюдательные исследования предоставили детальное представление о механизмах аккреции газа от масштаба галактик в 100 000 световых лет до масштаба в несколько сотен световых лет в центре. Однако аккреция газа в гораздо меньшей области, особенно в пределах нескольких десятков световых лет от центра галактики, остается неясной из-за ее крайне ограниченного пространственного масштаба.
Например, чтобы количественно понять рост черных дыр, необходимо измерить скорость аккреционного потока (сколько газа втекает) и определить количества и типы газов (плазма, атомный газ, молекулярный газ), которые выбрасываются. как отток в таком небольшом масштабе. К сожалению, наблюдательное понимание этого вопроса до сих пор существенно не продвинулось.
В этом исследовании исследовательской группе впервые удалось запечатлеть аккреционный поток, направляющийся к сверхмассивной черной дыре внутри газового диска высокой плотности, простирающегося на несколько световых лет от центра галактики. Идентификация этого аккреционного потока долгое время была сложной задачей из-за небольшого масштаба региона и сложных движений газа вблизи центра галактики.
Однако в этом случае исследовательская группа точно определила место, где молекулярный газ на переднем плане поглощал свет от фонового ярко сияющего активного галактического ядра. Эта идентификация стала возможной благодаря наблюдениям высокого разрешения с помощью ALMA. Детальный анализ показал, что этот поглощающий материал движется в направлении от нас. Поскольку поглощающий материал всегда существует между активным ядром галактики и нами, это указывает на то, что команда успешно уловила поток аккреции в сторону активного ядра галактики.
Кроме того, исследовательская группа также выяснила физический механизм, вызывающий накопление газа. Наблюдаемый газовый диск сам по себе демонстрировал настолько значительную гравитационную силу, что ее не могло поддерживать давление, рассчитанное по движению газового диска.
Когда возникает такая ситуация, газовый диск сжимается под собственным весом, образуя сложные структуры и становясь неспособным поддерживать устойчивое движение в центре галактики. В результате газ быстро падает в сторону центральной черной дыры. Теперь ALMA ясно выявила это физическое явление, известное как «гравитационная нестабильность», в центре галактики.
Кроме того, это исследование значительно продвинуло количественное понимание газовых потоков вокруг активного ядра галактики. По плотности наблюдаемого газа и скорости аккреционного потока можно рассчитать скорость аккреции, с которой газ поступает в черную дыру. Удивительно, но оказалось, что эта скорость в 30 раз превышает ту, которая фактически необходима для поддержания активности этого активного галактического ядра.
Другими словами, большая часть аккреционного потока в масштабе 1 светового года вокруг галактического центра не способствовала росту черной дыры. Так куда же делся этот избыток газа? Эта загадка также была разгадана в этом исследовании: высокочувствительные наблюдения за всеми фазовыми газами (молекулярными, атомарными и плазмой средней плотности; соответствуют красным, синим и розовым областям на первом изображении выше) с помощью ALMA обнаружили истечения из активной фазы. ядро галактики.
Путем количественного анализа было обнаружено, что большая часть газа, который текла к черной дыре, была выброшена в виде атомных или молекулярных потоков. Однако из-за своей низкой скорости они не смогли вырваться из гравитационного потенциала черной дыры и в конечном итоге вернулись на газовый диск. Там они были переработаны обратно в аккреционный поток к черной дыре, подобный фонтану, тем самым завершив увлекательный процесс переработки газа в центре галактики (второе изображение).
Что касается достижений этого исследования, Изуми заявляет: «Обнаружение аккреционных потоков и оттоков в области всего в нескольких световых годах вокруг активно растущей сверхмассивной черной дыры, особенно в многофазном газе, и даже расшифровка самого механизма аккреции действительно монументальны. достижения в истории исследования сверхмассивных черных дыр».
Заглядывая в будущее, он продолжает: «Чтобы всесторонне понять рост сверхмассивных черных дыр в космической истории, нам необходимо исследовать различные типы сверхмассивных черных дыр, которые расположены дальше от нас. Это требует высокого разрешения и высокой чувствительности. наблюдений, и мы возлагаем большие надежды на дальнейшее использование ALMA, а также на будущие большие радиоинтерферометры следующего поколения».
