Supermassive sorte huller styrer stjernedannelsen i store galakser

Unge galakser flammer med lyse nye stjerner, der dannes med en hurtig hastighed, men stjernedannelsen lukker til sidst ned, efterhånden som en galakse udvikler sig. En ny undersøgelse, udgivet 1. januar, 2018, i Natur , viser, at massen af ​​det sorte hul i centrum af galaksen bestemmer, hvor hurtigt denne "slukning" af stjernedannelse sker.

Enhver massiv galakse har et centralt supermassivt sort hul, mere end en million gange mere massiv end solen, afslører dens tilstedeværelse gennem dens gravitationsvirkninger på galaksens stjerner og undertiden driver den energiske stråling fra en aktiv galaktisk kerne (AGN). Den energi, der strømmer ind i en galakse fra en aktiv galaktisk kerne, menes at slukke for stjernedannelse ved at opvarme og fordrive den gas, der ellers ville kondensere til stjerner, når den afkøles.

Denne idé har eksisteret i årtier, og astrofysikere har fundet ud af, at simuleringer af galakseudvikling skal inkorporere feedback fra det sorte hul for at kunne reproducere galaksernes observerede egenskaber. Men observationsbeviser for en forbindelse mellem supermassive sorte huller og stjernedannelse har manglet, indtil nu.

"Vi har ringet til feedbacken for at få simuleringerne til at fungere, uden rigtig at vide, hvordan det sker, " sagde Jean Brodie, professor i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz og medforfatter til papiret. "Dette er det første direkte observationsbevis, hvor vi kan se effekten af ​​det sorte hul på galaksens stjernedannelseshistorie."

De nye resultater afslører et kontinuerligt samspil mellem sorte huls aktivitet og stjernedannelse gennem en galakses liv, påvirker hver generation af stjerner, der dannes efterhånden som galaksen udvikler sig.

Anført af førsteforfatter Ignacio Martín-Navarro, en postdoktor ved UC Santa Cruz, undersøgelsen fokuserede på massive galakser, for hvilke massen af ​​det centrale sorte hul var blevet målt i tidligere undersøgelser ved at analysere stjerners bevægelser nær galaksens centrum. For at bestemme galaksernes stjernedannelseshistorier, Martín-Navarro analyserede detaljerede spektre af deres lys opnået ved Hobby-Eberly Telescope Massive Galaxy Survey.

Spektroskopi gør det muligt for astronomer at adskille og måle de forskellige bølgelængder af lys fra et objekt. Martín-Navarro brugte beregningsteknikker til at analysere spektret af hver galakse og genvinde dens stjernedannelseshistorie ved at finde den bedste kombination af stjernepopulationer, der passer til de spektroskopiske data. "Det fortæller dig, hvor meget lys der kommer fra stjernepopulationer i forskellige aldre, " han sagde.

Da han sammenlignede galaksernes stjernedannelseshistorier med sorte huller af forskellig masse, han fandt slående forskelle. Disse forskelle korrelerede kun med sort huls masse og ikke med galaktisk morfologi, størrelse, eller andre ejendomme.

"For galakser med samme masse af stjerner, men forskellig sort hulmasse i midten, de galakser med større sorte huller blev slukket tidligere og hurtigere end dem med mindre sorte huller. Så stjernedannelsen varede længere i de galakser med mindre centrale sorte huller, " sagde Martín-Navarro.

Andre forskere har ledt efter sammenhænge mellem stjernedannelse og lysstyrken af ​​aktive galaktiske kerner, uden succes. Martín-Navarro sagde, at det kan skyldes, at tidsskalaerne er så forskellige, med stjernedannelse, der finder sted over hundreder af millioner af år, mens udbrud fra aktive galaktiske kerner sker over kortere tidsrum.

Et supermassivt sort hul er kun lysende, når det aktivt opsluger stof fra værtsgalaksens indre områder. Aktive galaktiske kerner er meget variable og deres egenskaber afhænger af størrelsen af ​​det sorte hul, hastigheden af ​​tilvækst af nyt materiale, der falder ned på det sorte hul, og andre faktorer.

"Vi brugte sorte huls masse som en proxy for den energi, der blev lagt ind i galaksen af ​​AGN, fordi tilvækst på mere massive sorte huller fører til mere energisk feedback fra aktive galaktiske kerner, hvilket ville slukke stjernedannelsen hurtigere, " forklarede Martín-Navarro.

Den præcise karakter af feedbacken fra det sorte hul, der slukker stjernedannelsen, er fortsat usikker, ifølge medforfatter Aaron Romanowsky, en astronom ved San Jose State University og UC Observatories.

"Der er forskellige måder et sort hul kan sende energi ud i galaksen på, og teoretikere har alle slags ideer om, hvordan quenching sker, men der er mere arbejde at gøre for at passe disse nye observationer ind i modellerne, " sagde Romanowsky.