Сверхмассивные черные дыры (СМЧД) находятся в центрах таких крупных галактик, как наша. Когда они активно производят энергию, они производят больше света и называются активными ядрами галактик (АЯГ). Однако их детали трудно рассмотреть, поскольку большие облака газа закрывают нам обзор.
JWST был создан именно для таких обстоятельств.
Новое исследование, опубликованное в «Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества» (MNRAS), представляет наблюдения JWST СМЧД в галактике на расстоянии около 70 миллионов световых лет от нас. Телескоп обнаружил полярную пыль, окружающую СМЧД. Оно находилось за пределами ожидаемого кольца пыли, скапливающегося непосредственно на черной дыре, которую исследователи называют аккреционным диском. Полярная пыль нагревается, но вместо излучения нагретого аккреционного диска газ нагревается высокоэнергетическими ударными волнами, исходящими от релятивистских струй.
Исследование называется «Пыль за тором: обнаружение среднего инфракрасного сердца местной сейфертовской ESO 428-G14 с помощью JWST/MIRI». Ведущий автор — Хауда Хайдар, аспирант кафедры математики, статистики и физики Университета Ньюкасла в Великобритании. Хоуда и ее коллеги-исследователи являются членами GATOS, Исследования галактической активности, тора и оттока. Согласно веб-сайту GATOS, GATOS — это международная команда, использующая JWST для «разгадки тайны активных галактических ядер».
«Возможность работать с эксклюзивными данными JWST и получать доступ к этим потрясающим изображениям раньше всех остальных — это просто потрясающе», — сказал Хоуда. «Мне невероятно повезло быть частью команды GATOS. Тесное сотрудничество с ведущими экспертами в этой области — настоящая привилегия».
Это первый взгляд JWST на рассматриваемую галактику ESO 428-G14, но это не первый взгляд на нее астрономов. Они наблюдали галактику, названную Сейфертовской галактикой из-за ее высокой светимости, на протяжении десятилетий. Астрономическое сообщество использовало несколько телескопов для изучения галактики, в том числе ALMA и «Хаббл», и эти данные являются частью этой работы.
Трудностью наблюдения этого АЯГ и многих подобных объектов является пыль. Густые, обширные облака пыли и газа, которые в конечном итоге питают черную дыру, закрывают нам ее обзор. Задача JWST — проникнуть сквозь эту пыль и получить более четкое представление об этих затемненных областях.
JWST имеет четыре основные научные темы, одна из которых — галактики во времени. Эволюцией галактик управляет совокупность процессов, и активные ядра галактик являются частью этой картины.
Активные ядра галактик могут выбрасывать релятивистские струи материи со своих полюсов, в некоторых случаях простираясь на сотни миллионов световых лет в космос. ESO 428-G14 не является исключением; он излучает радиолучи со своих полюсов. Астрофизики знают, что эти лучи возникают благодаря гравитационным и магнитным силам, но точный механизм неизвестен и является предметом активных исследований.
Джеты могут стать ключом к пониманию СМЧД, того, как они перерабатывают материал в галактиках и как пыль накапливается в торе вокруг них. «На протяжении десятилетий пыльный тор обвиняли в дихотомии между активными ядрами галактик (АЯГ) типа 1 и типа 2, и он является краеугольным камнем объединения АЯГ», — пишут авторы.
Унифицированная модель АЯГ утверждает, что АЯГ типа 1 и типа 2 различаются больше углами обзора, чем какими-либо фундаментальными различиями между ними. Тип 1 виден больше спереди относительно пылевого тора, имеет в спектрах широкие эмиссионные линии и имеет видимые аккреционные диски. Тип 2 виден сбоку относительно тора, имеет узкие эмиссионные линии и затемненные аккреционные диски.
Некоторые АЯГ имеют полярную пыль отдельно от торической пыли. Многие модели предсказывают, что эта пыль возбуждается струями, выходящими из ее полюсов. «Однако мало что известно о его свойствах, пространственной протяженности или связи с более масштабными оттоками», — пишут исследователи в своей статье. Это «первое исследование JWST/MIRI, направленное на получение изображения полярной пыли путем увеличения центра ESO 428-G14».
JWST обнаружил обширное излучение среднего инфракрасного диапазона, простирающееся на расстояние до 650 световых лет от АЯГ. Структура этой полярной пыли коллинеарна радиоструе, испускаемой АЯГ. Однако пыль располагается вертикально на следе молекулярного газа, который питает АЯГ и затеняет его. Это важное доказательство существования полярной пыли. «Его морфология демонстрирует поразительное сходство с морфологией газа, ионизированного АЯГ», — пишут авторы.
Это возвращает нас к продолжающимся дебатам о том, как АЯГ питают газ и пыль вокруг них. Какую роль играют джеты и какую роль электромагнитное излучение АЯГ? Одно из доказательств показывает, что пыль поглощает электромагнитное излучение, испускаемое нагретой пылью в аккреционном диске.
Однако новые изображения JWST показывают, что большая часть выбросов полярной пыли расширяется и распространяется по траекториям струй. Это явно означает, что струи ответственны за нагрев и формирование пыли, а излучение АЯГ играет меньшую роль. Аккреционная пыль и полярная пыль имеют разные температуры, и это дает представление о том, как разные части АЯГ нагреваются по-разному. Удары, вызванные струями, могут быть причиной разницы в тепле между полярной пылью и аккреционной пылью.
«Идет много дискуссий о том, как АЯГ выделяет энергию в окружающую среду. Мы не ожидали, что радиоджеты причинят такой ущерб. И все же это так!» — сказал доктор. Дэвид Росарио, преподаватель Университета Ньюкасла и соавтор исследования.
