Blowtorch-jetfly fra et sort hul driver stjernefødsel

Supermassive sorte huller, vejer millioner eller endda milliarder af gange vores sols masse, er stadig kun en lille brøkdel af massen af ​​de galakser, de bebor. Men i nogle tilfælde, det centrale sorte hul er halen, der logrer med hunden. Det ser ud til, at sorte huller kan blive varme eller kolde, når det kommer til enten at forstærke eller dæmpe stjernefødsel inde i en klynge af galakser.

Typisk, kæmpe sorte huller, udpumpning af energi via jetfly, holde interstellar gas for varm til at kondensere og danne stjerner. Nu, astronomer har fundet en klynge af galakser, kaldet Phoenix-klyngen, hvor stjerner dannes i rasende fart på grund af det sorte huls indflydelse. Denne stjerneturboboost er tilsyneladende forbundet med mindre energiske jetfly fra et centralt sort hul, der ikke pumper gastemperaturen op. I stedet, gassen mister energi, da den gløder i røntgenstråler. Gassen afkøles til, hvor den kan danne et stort antal stjerner med en betagende hastighed. Hvor vores Mælkevej danner en stjerne om året i gennemsnit, Nyfødte stjerner springer ud af denne kølige gas med en hastighed på omkring 500 solmasser om året i Phoenix-hoben.

At opklare dette mysterium krævede den kombinerede kraft fra NASAs Hubble-rumteleskop, NASAs Chandra X-ray Observatory, og Very Large Array (VLA) radioobservatoriet nær Socorro, Ny mexico.

VLA-radiodata afslører jetfly, der sprænger ud fra nærheden af ​​det centrale sorte hul. Disse jetfly pustede bobler op i den varme gas, der opdages i røntgenstråler af Chandra. Hubble opløser lyseblå filamenter af nyfødte stjerner i hulrum mellem den varme stråle og gasskyer. Efterhånden som det sorte hul er blevet mere massivt og kraftigere, dens indflydelse har været stigende.

Astronomer har bekræftet det første eksempel på en galaksehob, hvor et stort antal stjerner bliver født i sin kerne. Ved at bruge data fra NASA-rumteleskoper og et radioobservatorium fra National Science Foundation, forskere har samlet nye detaljer om, hvordan de mest massive sorte huller i universet påvirker deres værtsgalakser.

Galaksehobe er de største strukturer i kosmos, der holdes sammen af ​​tyngdekraften, bestående af hundreder eller tusinder af galakser indlejret i varm gas, samt usynlig mørkt stof. De største kendte supermassive sorte huller er i galakser i centrum af disse hobe.

I årtier, astronomer har ledt efter galaksehobe, der indeholder rige planteskoler af stjerner i deres centrale galakser. I stedet, de fandt magtfulde, gigantiske sorte huller, der pumper energi ud gennem stråler af højenergipartikler og holder gassen for varm til at danne mange stjerner.

Nu, videnskabsmænd har overbevisende beviser for en galaksehob, hvor stjerner dannes med en rasende hastighed, tilsyneladende knyttet til et mindre effektivt sort hul i dets centrum. I denne unikke klynge, strålerne fra det centrale sorte hul ser i stedet ud til at hjælpe med dannelsen af ​​stjerner. Forskere brugte nye data fra NASAs Chandra X-ray Observatory og Hubble Space Telescope, og NSF's Karl Jansky Very Large Array (VLA) for at bygge videre på tidligere observationer af denne klynge.

"Dette er et fænomen, som astronomer havde forsøgt at finde i lang tid, sagde Michael McDonald, astronom ved Massachusetts Institute of Technology (MIT), der ledede undersøgelsen. "Denne klynge viser, at i nogle tilfælde, det energiske output fra et sort hul kan faktisk forbedre afkøling, fører til dramatiske konsekvenser."

Det sorte hul er i midten af ​​en galaksehob kaldet Phoenix Cluster, ligger omkring 5,8 milliarder lysår fra Jorden i Phoenix Constellation. Den store galakse, der huser det sorte hul, er omgivet af varm gas med temperaturer på millioner af grader. Massen af ​​denne gas, svarende til billioner af sole, er flere gange større end den samlede masse af alle galakserne i hoben.

Denne varme gas mister energi, da den lyser i røntgenstråler, hvilket skulle få den til at køle af, indtil den kan danne et stort antal stjerner. Imidlertid, i alle andre observerede galaksehobe, energiudbrud drevet af sådan et sort hul forhindrer det meste af den varme gas i at køle af, forhindre udbredt stjernefødsel.

"Forestil dig at køre et klimaanlæg i dit hus på en varm dag, men så starte et brændebål. Din stue kan ikke køle ordentligt ned, før du har slukket ilden, " sagde medforfatter Brian McNamara fra University of Waterloo i Canada. "Tilsvarende når et sort huls opvarmningsevne er slukket i en galaksehob, gassen kan så køle af."

Beviser for hurtig stjernedannelse i Phoenix Cluster blev tidligere rapporteret i 2012 af et hold ledet af McDonald. Men dybere observationer var nødvendige for at lære detaljer om det centrale sorte huls rolle i genfødslen af ​​stjerner i den centrale galakse, og hvordan det kan ændre sig i fremtiden.

Ved at kombinere lange observationer i røntgen, optisk, og radiolys, forskerne opnåede en ti gange forbedring af datakvaliteten sammenlignet med tidligere observationer. De nye Chandra-data afslører, at varm gas afkøles næsten med den forventede hastighed i fravær af energi indsprøjtet af et sort hul. De nye Hubble-data viser, at omkring 10 milliarder solmasser af kølig gas er placeret langs filamenter, der fører mod det sorte hul, og unge stjerner dannes af denne kølige gas med en hastighed på omkring 500 solmasser om året. Til sammenligning, stjerner dannes i Mælkevejsgalaksen med en hastighed på omkring en solmasse om året.

VLA-radiodata afslører jetfly, der sprænger ud fra nærheden af ​​det centrale sorte hul. Disse jetfly har sandsynligvis oppustet bobler i den varme gas, som er detekteret i Chandra-dataene. Både jetfly og bobler er tegn på tidligere hurtig vækst af det sorte hul. Tidligt i denne vækst, det sorte hul kan have været underdimensioneret, sammenlignet med massen af ​​dens værtsgalakse, hvilket ville tillade hurtig afkøling at gå ukontrolleret.

"I fortiden, udbrud fra det underdimensionerede sorte hul kan simpelthen have været for svage til at opvarme omgivelserne, lader varm gas begynde at køle af, " sagde medforfatter Matthew Bayliss, som var forsker ved MIT under denne undersøgelse, men har for nylig sluttet sig til fakultetet ved University of Cincinnati. "Men efterhånden som det sorte hul er blevet mere massivt og kraftigere, dens indflydelse har været stigende."

Afkølingen kan fortsætte, når gassen føres væk fra midten af ​​klyngen af ​​det sorte huls udbrud. I større afstand fra det sorte huls varmepåvirkning, gassen afkøles hurtigere, end den kan falde tilbage mod midten af ​​klyngen. Dette scenarie forklarer observationen af, at kølig gas er placeret rundt om grænserne til hulrummene, baseret på en sammenligning af Chandra- og Hubble-dataene.

Til sidst vil udbruddet generere nok turbulens, lydbølger og chokbølger (svarende til de soniske bom produceret af supersoniske fly) for at give varmekilder og forhindre yderligere afkøling. Dette vil fortsætte, indtil udbruddet ophører, og opbygningen af ​​kølig gas kan genoptages. Hele cyklussen kan derefter gentages.

"Disse resultater viser, at det sorte hul midlertidigt har hjulpet med dannelsen af ​​stjerner, men når det forstærkes, vil det begynde at efterligne sorte huller i andre klynger, kvæler mere stjernefødsel, " sagde medforfatter Mark Voit fra Michigan State University i East Lansing, Michigan.

Manglen på lignende objekter viser, at hobe og deres enorme sorte huller passerer gennem den hurtige stjernedannelsesfase relativt hurtigt.

Et papir, der beskriver disse resultater, blev offentliggjort i et nyligt nummer af The Astrofysisk tidsskrift , og et fortryk er tilgængeligt online.