Новые исследования подтвердили связь между сверхмассивными чёрными дырами и галактической смертью посредством прекращения звездообразования. Учёным давно известно, что во Вселенной есть два основных типа галактик: те, в которых звезды формируются быстро, и «тихие галактики», потому что в них рождается очень мало звёзд. Млечный Путь, является примером тихой галактики.
Сверхмассивные чёрные дыры, с массами в миллионы, а иногда и в миллиарды раз больше массы Солнца, как полагают, скрываются в сердце всех крупных галактик. Также предполагалось, что пустоты в галактиках стоят за процессом снижения активности чёрных дыр в пассивность, но неопровержимых доказательств этой идеи до сих пор не обнаружено.
Однако группа учёных под руководством Тао Вана из Нанкинского университета, возможно, впервые обнаружила такие доказательства. Они нашли связь между массой сверхмассивной чёрной дыры и количеством холодного газа, строительного материала новых звёзд, который выбрасывается из галактик.
Чем больше сверхмассивная чёрная дыра, тем больше газа выбрасывается из галактики, вызывая «смерть» этой галактики из-за прекращения рождения звёзд. «С 1970-х годов и теории, и моделирования предполагают, что сверхмассивные чёрные дыры должны оказывать сильное влияние на холодный газ и звездообразование в своих галактиках; однако с точки зрения наблюдений это остается неопределенным», — рассказал Ван.
Ван объяснил, что различные исследования показали, что даже самые активные чёрные дыры, или «квазары», по-видимому, не связаны с уменьшением скорости звездообразования или содержания молекулярного газа. Он добавил, что эти наблюдения также противоречат многим традиционным моделям потока энергии в окружающую галактику, исходящей из областей, называемых активными ядрами галактик (AGN), которые являются домом для сверхмассивных чёрных дыр.
Эти модели предполагают, что обратная связь AGN оказывает сильное влияние на галактики. Ван считает, что это противоречие привело к тому, что многие астрономы начали сомневаться в роли сверхмассивных чёрных дыр в формировании массивных галактик через звездообразование. «С другой стороны, галактики с более массивными чёрными дырами, как правило, имеют более низкие скорости звездообразования. Это несколько озадачивало», — продолжил Ван.
Однако главным выводом команды стало то, что массы чёрных дыр действительно являются фундаментальными величинами, определяющими содержание холодного газа в галактиках. Член команды Дэвид Элбаз из Парижского университета Cité объяснил , что пассивные галактики с небольшим темпом звездообразования либо не имеют холодного газа, либо имеют его очень мало.
Это отличается от галактик с активным звездообразованием, у которых много вещества. «Поэтому обычно предполагается, что разница между двумя популяциями обусловлена ??наличием или отсутствием газовых резервуаров. Тогда ключевым вопросом является определение причины перехода галактик из состояния звездообразования в состояние пассивности», — сказал Эльбаз. Исследователь добавил, что пассивные галактики могут быть более массивными, что подразумевалось наблюдениями, или каким-то образом их рост был остановлен из-за сбора холодных газовых резервуаров. В первом случае, возможно, газ слишком разрежен внутри галактики, в то время как во втором случае, возможно, что-то забрало весь холодный газ, образующий звёзды. И это «что-то» может быть центральной сверхмассивной чёрной дырой.
Но загадка всё ещё остаётся. Чёрные дыры занимают относительно небольшое место в центрах своих галактик, в то время как холодный газ, из которого рождаются звёзды, простирается по всей галактике. «Известно, что чёрные дыры концентрируют огромное количество гравитационной энергии, достаточное для того, чтобы влиять на газ вокруг них, но загадочная часть — это не вопрос энергии, а вопрос того, как это работает», — сказал Эльбаз.
Масса сверхмассивной чёрной дыры галактики составляет около одной тысячной массы звёзд в плотно сгруппированном скоплении звёзд, или галактическом балдже, этой галактики. Это области, где звездообразование давно прекратилось. «Поэтому было высказано предположение, что чёрные дыры могут влиять на галактики, не давая им формировать новые звёзды. Но до сих пор не было прямых доказательств влияния сверхмассивных чёрных дыр на эволюцию галактик», — сказал астрофизик.
Чтобы разгадать эту загадку, Ван, Эльбаз и коллеги проанализировали 69 галактик. Они изучили массу звёзд этих галактик, массу их центральных сверхмассивных чёрных дыр и массу их резервуаров холодного атомарного водорода. «Запасы атомарного водорода в массивных галактиках ниже, что неудивительно, поскольку неактивные галактики в основном встречаются среди самых массивных галактик. Мы также изучили, как запасы газа изменяются в зависимости от массы чёрной дыры и выяснили, что запас газа уменьшается с гораздо лучшей корреляцией по сравнению с массой чёрной дыры», — объяснил Эльбаз.
Таким образом, масса галактик, вероятно, не объясняет, почему в спокойных галактиках образуется меньше звёзд, — скорее всего, именно масса чёрной дыры внутри галактики определяет скорость звездообразования в галактике.
Холодный газ, который питает звездообразование в галактиках, поступает из материи, падающей в галактики, или «аккрецирующей» из межгалактического пространства. Анализ команды показывает, что объём холодного газа в этих галактических резервуарах падает с увеличением массы чёрной дыры. «Это говорит о том, что чёрные дыры обладают способностью препятствовать галактикам получать материю извне», — сказал Эльбаз.
Он пояснил, что существует два возможных способа интерпретации открытия связи между массой сверхмассивной чёрной дыры и возможностью того, что в этой галактике всё ещё происходит активное звездообразование. «Во-первых, чёрная дыра может выбрасывать газ из галактики, но этот вариант сталкивается с проблемой: мы видим, что многие галактики переживают звездообразование, несмотря на то, что в них есть активная чёрная дыра. Во-вторых, джеты из активной чёрной дыры могут нагревать окружающий межгалактический газ и не давать ему питать галактику».
Второй механизм является наиболее вероятным, — это также тот сценарий, который, по-видимому, поддерживают численные симуляции Вселенной. Однако, у команды нет наблюдательных данных для подтверждения этой гипотезы.
«Поскольку большинство предыдущих исследований не смогли увидеть прямой связи между чёрными дырами и газовыми резервуарами, которую нельзя было бы объяснить иначе, главный вывод этого исследования стал неожиданностью. И это несмотря на то, что оно дает логическое объяснение поведению галактик, которое мы наблюдаем во Вселенной», — пояснил Эльбаз.
Он объяснил, что в галактиках есть ещё один газовый компонент — более плотный молекулярный газ — и что в дальнейшем команда обратит своё внимание на его исследования. Следующим шагом для команды станет объединение анализа обоих типов газа. Это должно позволить определить, сколько газа попало в галактики относительно недавно. Зависимость звездообразования и, таким образом, роста галактик от плотного молекулярного газа можно будет затем сравнить с массами сверхмассивных чёрных дыр.
Это можно сделать с помощью обсерватории ALMA (Atacama Large Millimeter Array).