Hvordan galakser og sorte huller vokser sammen

I løbet af de sidste to årtier, astronomer har konkluderet, at de fleste, hvis ikke alle, galakser er vært for massive sorte huller i deres centre - og masserne af et sort hul og dets værtsgalakse er korrelerede. Men hvordan hænger de to sammen? Nu, en University of Hawaiʻi ved Mānoa Institute for Astronomy (IfA) studerende, der deltager i National Science Foundations (NSF) Research Experiences for Undergraduates (REU) program, kan have afsløret en del af svaret.

Bachelorstuderende Rebecca Minsley, deltaget i IfAs 2019 REU-program, arbejde i 10 uger med sin mentor, Maunakea Spectroscopic Explorer Stedfortrædende projektforsker Andreea Petric. Sigte omhyggeligt gennem hundredvis af billeder af galakser, Minsley begyndte at definere et klarere billede af galakseudviklingen. "Galaksevækst kan være formet af interaktioner med andre galakser, som bidrager til supermassive sorte huller (SMBH), der vokser i galaksens centrum, " Forklarede Minsley.

Gas og støv mellem stjerner, kaldet det interstellare medium (ISM), er brændstoffet til både SMBH-vækst og dannelsen af ​​nye stjerner. Men nyligt arbejde viser, at ISM kan have forskellige egenskaber - især at være varmere - i galakser, der er vært for et voksende supermassivt sort hul i deres kerner, sammenlignet med de galakser, der ikke gør det. Varmere gas er mindre tilbøjelige til at kollapse til nye stjerner, så denne opdagelse kan tyde på, at en voksende central SMBH mindsker en galakses evne til at lave nye stjerner.

Hvad kan være ansvarlig for opvarmning af ISM? Stjernelys, især fra varme stjerner, kan gøre dette. Men interaktioner mellem galakser - når de kolliderer eller ligefrem passerer tæt på hinanden - kan producere storskala chokbølger, der komprimerer mindre tæt gas, hvilket gør det mere sandsynligt at danne stjerner. Minsley studerede formerne på 630 galakser ved hjælp af billeder fra Pan-STARRS-undersøgelsen. Hun klassificerede galakserne i fusioner, tidlige fusioner, og ikke-fusioner. Og sammenlignede derefter formerne med lysoutputtet fra de samme galakser ved længere mellem-infrarøde bølgelængder, hvor hun kunne studere egenskaberne ved ISM.

"Når galakser kommer tæt nok på, gennemgår de en slags galaktisk dans, indtil de til sidst smelter sammen til en enestående enhed. Disse interaktioner har veldokumenterede signaturer, der gjorde det muligt for mig at kategorisere vores sæt af galakser, " sagde Minsley. "Dette projekt gav mig en større forståelse for kompleksiteten og sammenfiltringen af ​​alle de processer, der finder sted inde i galakser, og den forskning, der udføres for at dekonstruere galaktiske systemer, er fascinerende."

Minsley og samarbejdspartnere fandt ud af, at i galakser med aktive sorte huller, ISM er varmere, forholdet mellem varm molekylær gas og andre kølemidler er større, og andre træk fra støvpartikler har en bredere række af værdier end i galakser, hvor de sorte huller er i dvale.

"I det nærliggende univers finder vi, at den varme ISM af galakser, som er vært for voksende supermassive sorte huller i deres centre, adskiller sig fra dem, der ikke gør det, " forklarer Petric. "Vi spekulerer i, at de samme processer, som leder brændstof til SMBH, også giver os mulighed for at detektere energioverførslen tilbage til galaksens ISM." Petric tilføjer, at fremtiden, mere detaljerede observationer, vil tillade forskere at bekræfte disse energioverførselsprocesser.

IfA har været en del af det prestigefyldte REU-program i næsten 20 år, uddannelse af over 130 elever, hvoraf nogle nu er førende inden for forskellige områder af astronomi. På grund af denne unikke mulighed for at arbejde på Hawaii med faciliteter og videnskabsmænd i verdensklasse, IfA modtager over 500 ansøgninger hvert semester. Fokus for deres REU-program er at identificere studerende, der har potentiale til at lykkes med forskning, men har måske ikke muligheden og ressourcerne.

Nader Haghighipour, hovedefterforskeren af ​​IfAs REU-program, bemærkede, "Med vores mentorer blandt verdens førende inden for deres respektive områder, vores REU-studerende er engageret i banebrydende forskning. Rebeccas arbejde er et godt eksempel på dette. Vi er meget stolte af vores REU-studerende, da næsten alle af dem fortsatte deres studier på ph.d.-skolen, og mange af dem har opnået national anerkendelse."

I efterårssemesteret 2020, Petric og UH Mānoa bachelor Diana Castaneda vil fortsætte med at undersøge ISM af galakser, der er vært for nogle af de mest lysende voksende SMBH i det nærliggende univers, ved hjælp af et spektrometer ombord på Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA) fly. SOFIA-observationerne vil give Castaneda og Petric mulighed for at få mere indsigt i de processer, hvorved energi overføres mellem den voksende SMBH og ISM.

Dette værk er offentliggjort i 10. maj-udgaven af Astrofysisk tidsskrift og er tilgængelig i preprint-form på ArXiv .