Mindre fusion sparker supermassive sorte hul i høj gear

Galaksen Messier 77 (M77) er berømt for sin superaktive kerne, der frigiver enorm energi over det elektromagnetiske spektrum, lige fra røntgen til radiobølgelængder. Endnu, på trods af sin meget aktive kerne, galaksen ligner enhver normal stille spiral. Der er intet visuelt tegn på, hvad der får dens centrale region til at udstråle så omfattende. Det har længe været et mysterium, hvorfor kun centrum af M77 er så aktivt. Astronomer har mistanke om en begivenhed for længe siden, der involverer et synkende sort hul, som kunne have sparket kernen i højt gear.

For at teste deres ideer om, hvorfor det centrale område af M77 udstråler enorme mængder stråling, et team af forskere ved National Astronomical Observatory of Japan og Open University of Japan brugte Subaru-teleskopet til at studere M77. Det hidtil usete dybe billede af galaksen afslører beviser for en skjult mindre fusion for milliarder af år siden. Opdagelsen giver afgørende beviser for den mindre fusionsoprindelse af aktive galaktiske kerner.

Seyfert-galaksernes mysterium

Galaksen Messier 77 (NGC 1068) er berømt for at rumme en aktiv kerne i sin kerne, der frigiver en enorm mængde energi. Eksistensen af ​​sådanne aktive galakser i det nærliggende univers blev først bemærket af den amerikanske astronom Carl Seyfert for mere end 70 år siden. I dag kaldes de Seyfert-galakserne. Astronomer tror, ​​at kilden til en så kraftig aktivitet er den gravitationsenergi, der frigives fra overophedet stof, der falder ned på et supermassivt sort hul (SMBH), der befinder sig i centrum af værtsgalaksen. Den anslåede masse af en sådan SMBH for M77 er omkring 10 millioner gange Solens.

Det kræver en enorm mængde gas dumpet på galaksens centrale sorte hul for at skabe så stærke energier. Det lyder måske som en nem opgave, men det er faktisk meget svært. Gassen i den galaktiske skive vil cirkulere hurtigere og hurtigere, når den spiraler ind i nærheden af ​​SMBH. Derefter, på et tidspunkt balancerer "centrifugalkraften" med SMBH'ens tyngdekraft. Det forhindrer faktisk gassen i at falde ind i midten. Situationen ligner vand, der løber ud af et badekar. På grund af centrifugalkraften, det hurtigt roterende vand løber ikke hurtigt ud. Så, hvordan kan vinkelmomentet fjernes fra gassen, der cirkulerer nær en aktiv galaktisk kerne? At finde svaret på det spørgsmål er en af ​​de store udfordringer for forskere i dag.

En forudsigelse fremsat for 18 år siden

I 1999 Professor Yoshiaki Taniguchi (i øjeblikket ved Open University of Japan), teamlederen for den nuværende Subaru-undersøgelse, udgivet et papir om drivmekanismen for den aktive kerne af Seyfert-galakser såsom M 77. Han påpegede, at en tidligere begivenhed – en "mindre fusion", hvor værtsgalaksen spiste sin "satellit"-galakse (en lille lavmassegalakse) kredser om det) – ville være nøglen til at aktivere Seyfert-kernen.

Som regel, en mindre fusionsbegivenhed bryder simpelthen en lavmasse-satellitgalakse op. Det resulterende affald absorberes i skiven af ​​den mere massive værtsgalakse, før det nærmer sig centrum. Derfor, det blev ikke betragtet som den vigtigste drivkraft bag den nukleare aktivitet. "Imidlertid, situationen kunne være helt anderledes, hvis satellitgalaksen har en (mindre) SMBH i sit centrum, " Professor Taniguchi foreslår, "fordi det sorte hul aldrig kan brydes fra hinanden. Hvis det eksisterer, det skulle til sidst synke ind i centrum af værtsgalaksen."

Den synkende SMBH fra satellitgalaksen ville i sidste ende skabe en forstyrrelse i den roterende gasskive omkring hovedgalaksens SMBH. Derefter, den forstyrrede gas ville i sidste ende strømme ind i den centrale SMBH og frigive enorm gravitationsenergi. "Dette må være den vigtigste antændelsesmekanisme for de aktive Seyfert-kerner, " argumenterede Taniguchi. "Idéen kan naturligvis forklare mysteriet om Seyfert-galaksernes morfologi, " sagde professor Taniguchi, påpeger fordelen ved, at modellen af ​​normalt udseende galakser også er meget aktiv i deres kerne.

Undersøg teorien ved hjælp af Subaru-teleskopet

Nylige fremskridt inden for observationsteknik gør det muligt at detektere den ekstremt svage struktur omkring galakser, såsom sløjfer eller snavs, der sandsynligvis er lavet af dynamiske interaktioner med satellitgalakser. De yderste dele af galakser betragtes ofte som relativt "stille" med en længere dynamisk tidsskala end nogen steder indeni. Simuleringer viser, at den svage signatur af en tidligere mindre fusion kan forblive flere milliarder år efter begivenheden. "Sådan en signatur kan være en nøgletest for vores mindre fusionshypotese for Seyfert-galakser. Nu er det tid til at gense M77, " sagde Taniguchi.

Holdets valg om at lede efter 'fortidens sag' var, selvfølgelig, Subaru-teleskopet og dets kraftfulde billedkamera, Hyper Suprime-Cam. Observationsforslaget blev accepteret og udført julenat 2016. "Dataene var bare fantastiske, " sagde Dr. Ichi Tanaka, den primære efterforsker af projektet. "Heldigvis vi kunne også hente de andre data, der blev taget i fortiden og netop frigivet fra Subaru-teleskopets dataarkiv. Dermed, de samlede data, vi endelig fik, er uhørt dybe."

Figur 2 viser resultatet. Holdet har identificeret flere bemærkelsesværdige funktioner uden for den lyse disk, som det ses i figur 1, hvoraf de fleste ikke var kendt før observationen. Der er en svag ydre enarmsstruktur uden for skiven mod vest. Den modsatte del af skiven har en krusningslignende struktur, som er klart forskellig fra spiralmønsteret. De opdagede signaturer matcher forbløffende resultatet af en mindre fusionssimulering offentliggjort af andre forskerhold. Hvad er mere, observatørholdet opdagede tre ekstremt diffuse og store klatstrukturer længere uden for disken. Spændende nok, det ser ud til, at to af disse diffuse klatter faktisk udgør en gigantisk løkke omkring M77 med en diameter på 250, 000 lysår. Disse strukturer er overbevisende beviser på, at M77 spiste sin satellitgalakse op for mindst flere milliarder år siden.

Subarus store fotonopsamlende kraft og Hyper Suprime-Cams fremragende ydeevne var afgørende for opdagelsen af ​​de ekstremt svage strukturer i M77. Deres opdagelse afslører den normalt udseende galakses skjulte voldelige fortid. "Selvom folk nogle gange kan lyve, galakser gør det aldrig. Det vigtige er at lytte til deres små stemmer for at forstå galakserne, " sagde professor Taniguchi.

Holdet vil udvide sin undersøgelse til flere Seyfert-galakser ved hjælp af Subaru-teleskopet. Dr. Masafumi Yagi, hvem leder den næste fase af projektet sagde, "Vi vil opdage flere og flere beviser på satellitfusionen omkring Seyfert-værtsgalakser. Vi forventer, at projektet kan give en kritisk brik for det forenede billede for udløsningsmekanismen for aktive galaktiske kerner."