На первый взгляд большинству наблюдателей можно было бы сказать, что сверхмассивные черные дыры (СМЧД) и очень молодые звезды не имеют ничего общего. Но это неправда. Астрономы обнаружили сверхмассивную черную дыру (СМЧД), рост которой регулируется так же, как рост молодой звезды: магнитными ветрами.
Сверхмассивные черные дыры настолько массивны, что понять их сложно. Они могут быть в миллиарды раз массивнее нашего Солнца, и это число так легко назвать, что оно умаляет их истинную величину. Они растут настолько большими за счет двух механизмов: слияний и приращения.
Черные дыры нельзя увидеть напрямую, но их существование подтверждается наблюдением за тем, как они изменяют свое окружение. Сверхмассивные чёрные дыры настолько массивны, что изменяют орбиты и скорости близлежащих звёзд – явление, которое ясно наблюдали астрономы. Сверхмассивные чёрные дыры также видны как активные ядра галактик, когда они активно аккрецируют материал. Наконец, когда черные дыры сливаются, они испускают гравитационные волны, которые мы можем обнаружить с помощью таких объектов, как LIGO/Virgo.
Но остается много вопросов без ответов о том, как черные дыры растут путем аккреции. Чтобы попытаться понять, как СМЧД аккумулирует газ и приобретает массу, группа исследователей наблюдала ESO320-G030, соседнюю галактику, расположенную всего в 120 миллионах световых лет от нас.
Их результаты представлены в статье под названием «Впечатляющий магнитогидродинамический ветер галактического масштаба в ESO 320-G030». Статья опубликована в журнале «Астрономия и астрофизика», а ее ведущий автор — Марк Горски, постдок Северо-Западного университета.
Одна из нерешенных проблем в изучении сверхмассивных черных дыр связана с обратной связью черных дыр. Не весь материал, попадающий в аккреционный диск СМЧД, попадает в дыру. Некоторые из них выбрасываются астрофизическими струями. Это часть процесса, называемого обратной связью с черной дырой, и он определяет, как черная дыра растет и как быстро ее галактика формирует новые звезды.
ESO 320-G030 интересна не только потому, что в ней находится СМЧД, но и потому, что в ней формируются новые звезды с высокой скоростью, примерно в десять раз быстрее, чем в Млечном Пути. Чтобы попытаться понять все процессы в ядре галактики, группа исследователей использовала Атакамскую большую миллиметровую/субмиллиметровую решетку (ALMA) для наблюдения за молекулами, транспортируемыми из центра галактики наружу.
«То, как галактики регулируют ядерный рост посредством аккреции газа сверхмассивными черными дырами (СМЧД), является одним из самых фундаментальных вопросов в эволюции галактик», — пишут авторы в своей исследовательской статье. «Один из потенциальных способов регулирования ядерного роста — посредством галактического ветра, который удаляет газ из ядра».
Сила ALMA заключается в ее способности видеть сквозь густой газ и пыль и наблюдать свет, который сочетает в себе инфракрасный свет и радиоволны. Он может отслеживать холодные молекулы по свету, который они излучают в этих длинах волн. В этом исследовании ALMA отслеживала HCN (цианистый водород), когда он проходил через ядро ESO 320-G030.
«Неясно, питаются ли галактические ветры струями, механическими ветрами, радиацией или магнитогидродинамическими (МГД) процессами», — пишут авторы. Используя ALMA для наблюдения за HCN, исследователи надеялись внести ясность.
ESO 320-G030 — галактика особого типа. Это светящаяся инфракрасная галактика с очень компактным ядром, скрытым пылью. Около 30% этих типов галактик имеют чрезвычайно компактные ядра с растущими сверхмассивными чёрными дырами или необычными звёздными вспышками. В ядре галактики явно происходит активная деятельность, поэтому это важнейшая цель для астрофизиков и астрономов.
«Поскольку эта галактика очень ярка в инфракрасном диапазоне, телескопы могут различить поразительные детали в ее центре», — сказала Сюзанна Аалто, профессор радиоастрономии в Технологическом университете Чалмерса. «Мы хотели измерить свет молекул, переносимых ветрами из ядра галактики, надеясь проследить, как ветры возникают из-за растущей или скоро растущей сверхмассивной черной дыры. С помощью ALMA мы смогли изучить свет из-за толстых слоев пыли и газа».
Среди астрономов ведутся споры о природе обратной связи черной дыры. В галактиках есть потоки, вызванные АЯГ, которые впрыскивают газ обратно в ядро галактики, но они не могут договориться о природе обратной связи. Это могут быть струи, механические ветры или радиация. Наблюдение ESO 320-G030 с помощью способности ALMA по наблюдению за молекулами — это шанс глубже погрузиться в дискуссию.
ALMA смогла проследить поведение HCN из-за возбуждающей вибрации. Результатом наблюдений являются карты движения молекул в ядре галактики.
«Мы можем видеть, как ветры образуют спиральную структуру, исходящую из центра галактики. Когда мы измерили вращение, массу и скорость материала, вытекающего наружу, мы были удивлены, обнаружив, что можем исключить многие объяснения силы ветра, например образование звезд. Вместо этого поток наружу может быть вызван притоком газа и, похоже, удерживается магнитными полями», — сказал Аалто.
Когда СМЧД втягивает материал во вращающийся аккреционный диск, вращение создает мощные магнитные поля. Магнитные поля уносят материю от центра, создавая спиральный МГД (магнитогидродинамический) ветер. Поскольку вещество уносится ветром, вращение диска замедляется. Более медленное вращение позволяет большему количеству материала упасть в дыру, что позволяет СМЧД стать более массивной.
Другие ветры и струи в ядре выталкивают материал от черных дыр в ядрах галактик, но этот недавно открытый ветер подает материал в черную дыру. «В этом письме мы представляем убедительные доказательства того, что истечение в ESO 320-G030 приводится в действие другим механизмом — МГД-ветром, запускаемым до зажигания АЯГ», — пишут авторы. Поскольку АЯГ наблюдается, когда СМЧД аккрецирует материал в свой диск и этот материал нагревается за счет вращения, наблюдаемый исследователями ветер, вероятно, ответственен за подачу материала в диск черной дыры, часть которого попадает в саму дыру.
Для астрономов, стоящих за этой работой, изображения данных ALMA представляют собой захватывающее новое представление о ветрах в галактическом ядре ESO 320-G030. «Что впечатляет в морфологии оттока, так это то, что области запуска очевидны и связаны с вращающейся ядерной структурой в самых внутренних ~ 12 пк», — пишут они. Паттерны, обнаруженные ALMA, намекают на наличие намагниченного вращающегося ветра.
Вращающийся элемент ветра является ключевым. «Вращение потоков является убедительным признаком магнитного ускорения», — объясняют авторы. Если причиной этого является магнитное ускорение, то другие явления, обсуждаемые астрономами – АЯГ, астрофизические джеты или радиация – не могут быть причиной этого.
Этот недавно открытый ветер похож на ветры вокруг молодых протозвезд, которые аккрецируют материал и активно растут.
«Достоверно установлено, что звезды на первых этапах своей эволюции растут с помощью вращающихся ветров — ускоренных магнитными полями, как и ветер в этой галактике. Наши наблюдения показывают, что сверхмассивные черные дыры и крошечные звезды могут расти с помощью схожих процессов, но в совершенно разных масштабах», — сказал ведущий автор Горски в пресс-релизе.
Это могло бы стать большим шагом в понимании того, как растут СМЧД, но авторы знают, что это только один шаг. Им необходимо наблюдать больше СМЧД и собрать больше данных, прежде чем что-то станет окончательным.
«Далеко не на все вопросы об этом процессе есть ответы. В наших наблюдениях мы видим явные доказательства существования вращающегося ветра, который помогает регулировать рост центральной черной дыры галактики. Теперь, когда мы знаем, на что обращать внимание, следующим шагом будет выяснить, насколько распространено это явление. И если это этап, который проходят все галактики со сверхмассивными черными дырами, что с ними происходит дальше?» — спрашивает ведущий автор Горски.
