Astronomer beskriver et voldsomt sort hul-udbrud, der giver ny indsigt i galaksehobens udvikling

For milliarder af år siden, i midten af ​​en galaksehob langt, langt væk (15 milliarder lysår, for at være præcis), et sort hul spyede stråler af plasma ud. Da plasmaet styrtede ud af det sorte hul, det skubbede materiale væk, skabe to store hulrum 180 grader fra hinanden. På samme måde kan du beregne energien af ​​et asteroide-nedslag ved størrelsen af ​​dets krater, Michael Calzadilla, en kandidatstuderende ved MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research (MKI), brugt størrelsen af ​​disse hulrum til at finde ud af styrken af ​​det sorte huls udbrud.

I et nyligt blad i Astrofysiske tidsskriftsbreve , Calzadilla og hans medforfattere beskriver udbruddet i galaksehoben SPT-CLJ0528-5300, eller SPT-0528 for kort. Ved at kombinere volumen og tryk af den fortrængte gas med alderen af ​​de to hulrum, de var i stand til at beregne den samlede energi af udbruddet. Ved mere end 10 ⁵⁴ joule af energi, en kraft svarende til omkring 10 ³⁸ atombomber, dette er det kraftigste udbrud, der er rapporteret i en fjern galaksehob. Medforfattere til papiret inkluderer MKI-forsker Matthew Bayliss og assisterende professor i fysik Michael McDonald.

Universet er oversået med galaksehobe, samlinger af hundreder og endda tusindvis af galakser, der er gennemsyret af varm gas og mørkt stof. I midten af ​​hver klynge er et sort hul, som går gennem perioder med fodring, hvor det opsluger plasma fra klyngen, efterfulgt af perioder med eksplosive udbrud, hvor den skyder plasmastråler ud, når den er blevet fyldt. "Dette er et ekstremt tilfælde af udbrudsfasen, " siger Calzadilla om deres observation af SPT-0528. Selvom udbruddet skete for milliarder af år siden, før vores solsystem overhovedet var dannet, det tog omkring 6,7 milliarder år for lys fra galaksehoben at rejse hele vejen til Chandra, NASAs røntgen-emissionsobservatorium, der kredser om Jorden.

Fordi galaksehobe er fulde af gas, tidlige teorier om dem forudsagde, at da gassen afkøledes, hobene ville se høje hastigheder af stjernedannelse, som har brug for kølig gas for at dannes. Imidlertid, disse klynger er ikke så seje som forudsagt, og som sådan, producerede ikke nye stjerner i den forventede hastighed. Noget forhindrede gassen i at køle helt af. De skyldige var supermassive sorte huller, hvis plasmaudbrud holder gassen i galaksehobe for varm til hurtig stjernedannelse.

Det registrerede udbrud i SPT-0528 har en anden særegenhed, der adskiller det fra andre sorte hul-udbrud. Det er unødvendigt stort. Astronomer tænker på processen med gasafkøling og frigivelse af varm gas fra sorte huller som en ligevægt, der holder temperaturen i galaksehoben - som svæver omkring 18 millioner grader Fahrenheit - stabil. "Det er ligesom en termostat, " siger McDonald. Udbruddet i SPT-0528, imidlertid, er ikke i ligevægt.

Ifølge Calzadilla, hvis du ser på hvor meget strøm der frigives når gas afkøles på det sorte hul i forhold til hvor meget strøm der er indeholdt i udbruddet, udbruddet overdriver det voldsomt. I McDonald's analogi, udbruddet i SPT-0528 er en defekt termostat. "Det er som om du afkølede luften med 2 grader, og termostatens svar var at opvarme rummet med 100 grader, " forklarer McDonald.

Tidligere i 2019 McDonald og kolleger udgav et papir, der kiggede på en anden galaksehob, en, der viser en fuldstændig modsat adfærd i forhold til SPT-0528. I stedet for et unødvendigt voldsomt udbrud, det sorte hul i denne klynge, døbt Phoenix, er ikke i stand til at forhindre gassen i at køle af. I modsætning til alle de andre kendte galaksehobe, Phoenix er fuld af unge stjernegartnerier, hvilket adskiller den fra størstedelen af ​​galaksehobe.

"Med disse to galaksehobe, vi ser virkelig på grænserne for, hvad der er muligt ved de to yderpunkter, " McDonald siger om SPT-0528 og Phoenix. Han og Calzadilla vil også karakterisere de mere normale galaksehobe, for at forstå udviklingen af ​​galaksehobe over kosmisk tid. For at udforske dette, Calzadilla karakteriserer 100 galaksehobe.

Grunden til at karakterisere en så stor samling af galaksehobe er, fordi hvert teleskopbillede fanger hobene på et bestemt tidspunkt, hvorimod deres adfærd sker over kosmisk tid. Disse klynger dækker en række afstande og aldre, giver Calzadilla mulighed for at undersøge, hvordan klyngernes egenskaber ændrer sig over kosmisk tid. "Dette er tidsskalaer, der er meget større end en menneskelig tidsskala, eller hvad vi kan observere, " forklarer Calzadilla.

Forskningen ligner en palæontolog, der forsøger at rekonstruere et dyrs udvikling ud fra en sparsom fossiloptegnelse. Men, i stedet for knogler, Calzadilla studerer galaksehobe, lige fra SPT-0528 med sit voldsomme plasmaudbrud i den ene ende til Phoenix med sin hurtige afkøling i den anden. "Du ser på forskellige øjebliksbilleder i tiden, " siger Calzadilla. "Hvis du bygger store nok prøver af hvert af de øjebliksbilleder, du kan få en fornemmelse af, hvordan en galaksehob udvikler sig."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.