Некоторые сверхмассивные черные дыры (СМЧД) поглощают огромное количество газа и пыли, вызывая яркие световые шоу, которые могут затмить целую галактику. Но другие ведут себя гораздо более уравновешенно, излучая слабый, но ровный свет из своего дома в самом сердце своей галактики.
Наблюдения с уже вышедшего из эксплуатации космического телескопа «Спитцер» помогают понять, почему это так.
Похоже, что в центре каждой крупной галактики есть СМЧД. Это верно для нашей галактики Млечный Путь и нашего ближайшего галактического соседа, Андромеды (M31). Как и все черные дыры, сверхмассивные черные дыры притягивают к себе материал, который собирается в аккреционном диске. Поскольку материал диска вращается и нагревается, он излучает свет, прежде чем упасть в отверстие.
Оказывается, обе эти сверхмассивные чёрные дыры относятся к числу тихих пожирателей чёрных дыр. Другие гораздо более прожорливы, поглощают большое количество материи сгустками и ярко светятся в течение определенного периода времени. Астрофизики задаются вопросом, в чем причина этой разницы.
Недавнее исследование, опубликованное в «Астрофизическом журнале», определило, что происходит в этих различных черных дырах. Название: «Режим аккреции в субэддингтонских сверхмассивных черных дырах: попадание в центральные парсеки Андромеды». Ведущий автор — Кристиан Элиг, аспирант Института внеземной физики Макса Планка.
Андромеда (M31) — близкая соседка в космическом плане. Расстояние до нее составляет около 780 килопарсеков, или около 2,5 миллионов световых лет. Это СМЧД суб-Эддингтона, а это означает, что она не достигла теоретической максимальной скорости аккреции. Ее близость делает ее отличной целью для наблюдения и изучения крупномасштабной структуры галактики, особенно ядра. В ядре, где происходит большая часть действий, доминирует СМЧД и содержится плотное население звезд и сеть газа и пыли. В данном исследовании основное внимание уделяется газу и пыли.
«Эта статья исследует формирование, стабильность и роль сети пылевых/газовых нитей, окружающих ядро M31», — пишут авторы в своем исследовании. «Близость M31, 780 кпк, позволяет нам очень детально визуализировать морфологию, размер и кинематику нитей в ионизированном газе и пыли».
Исследователи работали с изображениями, полученными космическими телескопами «Хаббл» и «Спитцер». Используя различные фильтры, изображения телескопа выявили форму и другие характеристики сети газа и пыли. «Внешний вид центральной области M31 резко различается в различных диапазонах среднего инфракрасного диапазона: от гладкой, безликой выпуклости, в которой доминирует старое звездное население на расстоянии 3,6 мкм, до отчетливой структуры спиральных пылевых нитей, которая доминирует на изображении 8 мкм. — поясняют авторы.
Исследователи обнаружили околоядерное пылевое кольцо вокруг ядра галактики на расстоянии от 0,5 до 1 кпк от центра (от 1630 до 3260 световых лет). Из этого кольца исходят нити пыли, образующие внутри него спираль. «Внутри кольца пылевые нити следуют по круговым орбитам вокруг центра, заканчиваясь ядерной спиралью в центральных сотнях парсеков», — объясняют авторы.
После идентификации структур на изображениях телескопа исследователи обратились к моделированию. Они использовали гидродинамическое моделирование, чтобы увидеть, какие начальные условия заставили волокна и стримеры текущего газа двигаться ближе к СМЧД. «Предсказывая орбиту и скорость нитей, мы стремимся сделать вывод о роли ядерной спирали как питателя ЧД M31», — объясняют они.
Гидродинамическое моделирование охватывает широкую область ядра, от 900 до 6 парсеков от СМЧД в M31. Отправной точкой моделирования является самая яркая и длинная пылевая нить, которую команда обнаружила на изображениях. На изображении выше он отмечен белой стрелкой. «По мере приближения нить постепенно изгибается к центру», — пишут исследователи. «Это также наблюдается в ионизированном газе
Моделирование предполагает, что пылевая нить состоит из пыли, падающей из околоядерного кольца, хотя исследователи вообще не исследовали, как пыль попала в кольцо. Моделирование началось с закачки газа в кольцо. Команда позволила моделировать миллионы лет, чтобы увидеть, как ведет себя газ. «В конце концов, нам потребовалось около 200 млн лет моделирования, чтобы прийти к конфигурации, которая лучше всего воспроизводит наблюдения», — объясняют авторы.
«Трение на внутреннем крае удлиненной кольцевой структуры, которая образуется на (д), заставляет тонкие нити закручиваться по спирали внутрь, в конечном итоге образуя небольшой диск во внутренних 100 пк, видимый на (е)», — объясняют авторы.
Все симуляции команды привели к одинаковым результатам, хотя они начинались с разными параметрами, такими как начальные углы, скорости, расстояния и угол впрыска. «Интересно, что из-за относительно хорошей радиальной симметрии потенциала M31 во внутреннем 1 кпк все моделирования приводят к очень схожим результатам», — объясняют исследователи.
Наблюдения и изображения внутренней области M31 соответствуют тому, что астрономы находят в других спокойных галактиках. Эти исследования «…выявляют общую структуру морфологии пыли, образованную узкими, длинными пылевыми нитями, заканчивающимися спиралью в центральных нескольких сотнях парсеков», пишут авторы. Большинство галактик низкой светимости в исследовании 2003 года также имеют ядерные спирали, простирающиеся на несколько сотен парсеков.
Интересно, что галактики с высокой аккрецией, отличные от M31, также имеют сеть пылевых полос и волокон, но их морфология менее организована. Часто он состоит из одной длинной нити, проходящей прямо через ядро. В этом может быть решающее различие между спокойной СМЧД в M31 и галактиками с гораздо более яркими черными дырами.
M31 и ему подобные питаются медленным и постоянным газом, а это означает, что их яркость постоянна. Но другие галактики питаются материей более крупными сгустками, из-за чего их яркость достигает ярких пиков, затмевая все звезды в их галактике. В этом разница между прожорливыми СМЧД и хорошо себя ведущими.
«Гидродинамическое моделирование показывает, что роль этих нитей заключается в транспортировке материи к центру; однако чистое количество, которое они переносят в центр, невелико — следствие их обширного взаимодействия с самими собой, окружающей атмосферой и МЗМ на протяжении нескольких миллионов лет», — заключают авторы. «Мы постулируем, что когда пылевые/газовые нити в центральных сотнях парсеков галактик обретут конфигурацию ядерной спирали, это приведет к режиму низкой аккреции центральной ЧД».
Таким образом, галактики со спиральными узорами газа в ядрах имеют низкие режимы аккреции и более низкую, более устойчивую светимость. Галактики без этих закономерностей аккумулируют больше материи неравномерно, и их светимость резко возрастает.
Одна из интересных особенностей этого исследования заключается в том, что оно не опиралось на новые наблюдения новых мощных телескопов, таких как JWST. Вместо этого он опирался на изображения космического телескопа НАСА «Спитцер», который завершил свою миссию в январе 2020 года. Он иллюстрирует, как современные телескопы и обсерватории генерируют огромные объемы данных, которые ученые могут использовать различными способами еще долго после завершения миссии телескопа.
«Это отличный пример того, как ученые пересматривают архивные данные, чтобы узнать больше о динамике галактик, сравнивая ее с новейшими компьютерными симуляциями», — сказал соавтор исследования Альмудена Прието, астрофизик из Института астрофизики Канарских островов и Университетской обсерватории. Мюнхен. «У нас есть данные 20-летней давности, которые говорят нам о вещах, которые мы не распознали в них, когда впервые их собрали».
