Hvordan sorte huller former galakser

Data fra ESA's XMM-Newton røntgenobservatorium har afsløret, hvordan supermassive sorte huller former deres værtsgalakser med kraftige vinde, der fejer interstellart stof væk.

I en ny undersøgelse, videnskabsmænd analyserede otte års XMM-Newton-observationer af det sorte hul i kernen af ​​en aktiv galakse kendt som PG 1114+445, viser, hvordan ultrahurtige vinde – udstrømninger af gas udsendt fra tilvækstskiven meget tæt på det sorte hul – interagerer med det interstellare stof i centrale dele af galaksen. Disse udstrømninger er blevet opdaget før, men den nye undersøgelse identificerer klart, for første gang, tre faser af deres interaktion med værtsgalaksen.

"Disse vinde kan forklare nogle overraskende sammenhænge, ​​som videnskabsmænd har kendt til i årevis, men ikke kunne forklare, " sagde hovedforfatter Roberto Serafinelli fra National Institute of Astrophysics i Milano, Italien, der udførte det meste af arbejdet som en del af sin ph.d. ved Universitetet i Rom Tor Vergata.

"For eksempel, vi ser en sammenhæng mellem masserne af supermassive sorte huller og hastighedsspredningen af ​​stjerner i de indre dele af deres værtsgalakser. Men der er ingen måde, dette kan skyldes gravitationseffekten af ​​det sorte hul. Vores undersøgelse for første gang viser, hvordan disse sorte hul-vinde påvirker galaksen i større skala, giver muligvis det manglende led."

Astronomer har tidligere opdaget to typer udstrømninger i røntgenspektrene udsendt af de aktive galaktiske kerner, de tætte centrale områder af galakser, der vides at indeholde supermassive sorte huller. De såkaldte ultrahurtige udstrømninger (UFO'er), lavet af stærkt ioniseret gas, rejse med hastigheder på op til 40 procent af lysets hastighed og kan observeres i nærheden af ​​det centrale sorte hul.

Langsommere udstrømning, kaldet varmeabsorbere, rejser med meget lavere hastigheder på hundredvis af km/s og har lignende fysiske egenskaber – såsom partikeltæthed og ionisering – som det omgivende interstellare stof. Disse langsommere udstrømninger er mere tilbøjelige til at blive opdaget i større afstande fra galaksecentrene.

I den nye undersøgelse, forskerne beskriver en tredje type udstrømning, der kombinerer karakteristika fra de to foregående:hastigheden af ​​en UFO og de fysiske egenskaber af en varm absorber.

"Vi tror, ​​at det er det tidspunkt, hvor UFO'en rører det interstellare stof og fejer det væk som en sneplov, " sagde Serafinelli. "Vi kalder dette en 'medført ultrahurtig udstrømning', fordi UFO'en på dette stadium trænger ind i det interstellare stof. Det ligner vind, der skubber både i havet."

Denne medrivende sker i en afstand af ti til hundrede lysår væk fra det sorte hul. UFO'en skubber gradvist det interstellare stof væk fra de centrale dele af galaksen, renser det for gas og bremser ophobningen af ​​stof omkring det supermassive sorte hul.

Mens modeller har forudsagt denne type interaktion før, den aktuelle undersøgelse er den første, der præsenterer faktiske observationer af de tre faser.

"I XMM-Newton data, vi kan se materiale på større afstande fra centrum af galaksen, som endnu ikke er blevet forstyrret af den indre UFO, " sagde medforfatter Francesco Tombesi fra University of Rome Tor Vergata og NASAs Goddard Space Flight Center. "Vi kan også se skyer tættere på det sorte hul, nær galaksens kerne, hvor UFO'en er begyndt at interagere med det interstellare stof."

Denne første interaktion sker mange år efter, at UFO'en har forladt det sorte hul. Men energien fra UFO'en gør det muligt for det relativt lille sorte hul at påvirke materiale langt uden for rækkevidden af ​​dets tyngdekraft.

Ifølge forskerne, supermassive sorte huller overfører deres energi til det omgivende miljø gennem disse udstrømninger og fjerner gradvist de centrale områder af galaksen for gas, som så kunne standse stjernedannelsen. Faktisk, galakser i dag producerer stjerner langt sjældnere, end de plejede i de tidlige stadier af deres udvikling.

"Det er sjette gang, disse udstrømninger er blevet opdaget, " sagde Serafinelli. "Det hele er meget ny videnskab. Disse faser af udstrømningen er tidligere blevet observeret separat, men forbindelsen mellem dem var ikke klar indtil nu."

XMM-Newtons hidtil usete energiopløsning var nøglen til at skelne mellem de tre typer funktioner, der svarer til de tre typer udstrømninger. I fremtiden, med nye og mere kraftfulde observatorier såsom ESA's Advanced Telescope for High Energy Astrophysics, Athene, astronomer vil være i stand til at observere hundredtusindvis af supermassive sorte huller, lettere at opdage sådanne udstrømninger. Athene, som vil være mere end 100 gange mere følsom end XMM-Newton, er planlagt til lancering i begyndelsen af ​​2030'erne.

"At finde én kilde er fantastisk, men at vide, at dette fænomen er almindeligt i universet, ville være et rigtigt gennembrud, sagde Norbert Schartel, XMM-Newton-projektforsker ved ESA. "Selv med XMM-Newton, vi kan muligvis finde flere sådanne kilder i det næste årti."

More data in the future will help unravel the complex interactions between the supermassive black holes and their host galaxies in detail and explain the decrease in star formation that astronomers observe to have taken place over billions of years.