Sorte huller hjælper med stjernefødsel

Forskning, der kombinerer systematiske observationer med kosmologiske simuleringer har fundet, at overraskende, sorte huller kan hjælpe visse galakser med at danne nye stjerner. På skalaer af galakser, Supermassive sorte hullers rolle for stjernedannelse var tidligere blevet set som destruktiv - aktive sorte huller kan fratage galakser den gas, som galakserne har brug for for at danne nye stjerner. De nye resultater, offentliggjort i tidsskriftet Natur , fremvise situationer, hvor aktive sorte huller kan, i stedet, "ryd vejen" for galakser, der kredser inde i galaksegrupper eller -hobe, forhindrer disse galakser i at få deres stjernedannelse forstyrret, når de flyver gennem den omgivende intergalaktiske gas.

Aktive sorte huller menes primært at have en destruktiv indflydelse på deres omgivelser. Mens de sprænger energi ind i deres værtsgalakse, de varmes op og udstøder den galakse gas, gør det sværere for galaksen at producere nye stjerner. Men nu, forskere har fundet ud af, at den samme aktivitet faktisk kan hjælpe med stjernedannelse - i det mindste for de satellitgalakser, der kredser om værtsgalaksen.

Det kontraintuitive resultat kom ud af et samarbejde udløst af en frokostsamtale mellem astronomer med speciale i computersimuleringer i stor skala og observatører. Som sådan, det er et godt eksempel på den form for uformel interaktion, der er blevet vanskeligere under pandemiske forhold.

Astronomiske observationer, der inkluderer at tage en fjern galakses spektrum - den regnbuelignende adskillelse af en galakses lys i forskellige bølgelængder - muliggør ret direkte målinger af den hastighed, hvormed den galakse danner nye stjerner.

At gå efter sådanne målinger, nogle galakser danner stjerner i ret rolige hastigheder. I vores egen Mælkevejs galakse, kun én eller to nye stjerner fødes hvert år. Andre gennemgår korte udbrud af overdreven stjernedannelsesaktivitet, kaldet "stjerneudbrud", med hundredvis af stjerner født om året. I endnu andre galakser, stjernedannelse ser ud til at være undertrykt, eller "slukket, " som astronomer siger:Sådanne galakser er næsten holdt op med at danne nye stjerner.

En særlig slags galakse, af hvilke prøver ofte - næsten halvdelen af ​​tiden - viser sig at være i en sådan slukket tilstand, er såkaldte satellitgalakser. Disse er en del af en gruppe eller klynge af galakser, deres masse er forholdsvis lav, og de kredser om en meget mere massiv central galakse, der ligner den måde, satellitter kredser om Jorden.

Sådanne galakser danner typisk meget få nye stjerner, hvis overhovedet, og siden 1970'erne, astronomer har mistænkt, at noget, der ligner modvind, kan være skylden:Grupper og klynger af galakser indeholder ikke kun galakser, men også ret varm tynd gas, der fylder det intergalaktiske rum.

Når en satellitgalakse kredser gennem hoben med en hastighed på hundredvis af kilometer i sekundet, den tynde gas ville få det til at føles den samme slags "modvind", som en person, der kører på en hurtig cykel, eller motorcykel, vil føle. Satellitgalaksens stjerner er alt for kompakte til at blive påvirket af den konstante strøm af modkørende intergalaktisk gas.

Men det er satellitgalaksens egen gas ikke:Den ville blive strippet væk af den modkørende varme gas i en proces kendt som "ram-trykstripping". På den anden side, en galakse i hurtig bevægelse har ingen chance for at trække en tilstrækkelig mængde intergalaktisk gas ind, at genopfylde sit gasreservoir. Resultatet er, at sådanne satellitgalakser mister deres gas næsten fuldstændigt - og dermed det råmateriale, der er nødvendigt for stjernedannelse. Som resultat, stjernedannelsesaktivitet ville blive slukket.

De pågældende processer foregår over millioner eller endda milliarder af år, så vi kan ikke se dem ske direkte. Men alligevel, der er måder for astronomer at lære mere. De kan bruge computersimuleringer af virtuelle universer, programmeret til at følge fysikkens relevante love - og sammenligne resultaterne med det, vi faktisk observerer. Og de kan lede efter afslørende spor i det omfattende "snapshot" af kosmisk evolution, som er leveret af astronomiske observationer.

Annalisa Pillepich, en gruppeleder ved Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), har specialiseret sig i simuleringer af denne art. IllustrisTNG-pakken af ​​simuleringer, som Pillepich har været med til at lede, leverer de mest detaljerede virtuelle universer til dato - universer, hvor forskere kan følge gassens bevægelse rundt i forholdsvis små skalaer.

IllustrisTNG giver nogle ekstreme eksempler på satellitgalakser, der for nylig er blevet strippet af rampres:såkaldte "vandmandsgalakser, ", der slæber efter resterne af deres gas som vandmænd, slæber efter deres fangarme. Faktisk, at identificere alle vandmændene i simuleringerne er et nyligt lanceret borgervidenskabsprojekt på Zooniverse platformen, hvor frivillige kan hjælpe med forskningen i den slags nyslukkede galakser.

Men, mens vandmænds galakser er relevante, de er ikke der, hvor det nuværende forskningsprojekt startede. Over frokost i november 2019, Pillepich fortalte om et andet af hendes IllustrisTNG-resultater til Ignacio Martín-Navarro, en astronom med speciale i observationer, der var på MPIA på et Marie Curie-stipendium. Et resultat om indflydelsen af ​​supermassive sorte huller, der nåede ud over værtsgalaksen, ind i det intergalaktiske rum.

Sådanne supermassive sorte huller kan findes i midten af ​​alle galakser. Stof, der falder ned i et sådant sort hul, bliver typisk en del af en roterende såkaldt tilvækstskive, der omgiver det sorte hul, før de falder ned i selve det sorte hul. Dette fald på akkretionsskiven frigiver en enorm mængde energi i form af stråling, og ofte også i form af to stråler af hurtigt bevægende partikler, som accelererer væk fra det sorte hul vinkelret på tilvækstskiven. Et supermassivt sort hul, der udsender energi på denne måde, kaldes en aktiv galaktisk kerne, AGN for kort.

Selvom IllustrisTNG ikke er detaljeret nok til at inkludere sorte huls jetfly, den indeholder fysiske termer, der simulerer, hvordan en AGN tilføjer energi til den omgivende gas. Og som simuleringen viste, at energiinjektion vil føre til gasudstrømning, som igen vil orientere sig langs en vej med mindst modstand:i tilfælde af diskgalakser, der ligner vores egen Mælkevej, vinkelret på stjerneskiven; for såkaldte elliptiske galakser, vinkelret på et passende foretrukket plan defineret af arrangementet af galaksens stjerner.

Over tid, den bipolære gasudstrømning, vinkelret på skiven eller det foretrukne plan, vil gå så langt som til at påvirke det intergalaktiske miljø - den tynde gas, der omgiver galaksen. De vil skubbe den intergalaktiske gas væk, hver udstrømning skaber en gigantisk boble. Det var denne beretning, der fik Pillepich og Martín-Navarro til at tænke:Hvis en satellitgalakse skulle passere gennem den boble - ville den blive påvirket af udstrømningen, og ville dens stjernedannelsesaktivitet blive slukket endnu mere?

Martín-Navarro tog dette spørgsmål op inden for sit eget domæne. Han havde stor erfaring med at arbejde med data fra en af ​​de største systematiske undersøgelser til dato:Sloan Digital Sky Survey (SDSS), som giver billeder i høj kvalitet af en stor del af den nordlige halvkugle. I de offentligt tilgængelige data fra undersøgelsens 10. data, han undersøgte 30, 000 galaksegrupper og klynger, hver indeholder en central galakse og i gennemsnit 4 satellitgalakser.

I en statistisk analyse af disse tusindvis af systemer, han fandt en lille, men markant forskel mellem satellitgalakser, der var tæt på centralgalaksens foretrukne plan og satellitter, der var markant over og under. Men forskellen var i den modsatte retning, som forskerne havde forventet:Satellitter over og under flyet, i de tyndere bobler, var i gennemsnit ikke mere sandsynlige, men omkring 5 % mindre tilbøjelige til at have fået deres stjernedannelsesaktivitet slukket.

Med det overraskende resultat, Martín-Navarro gik tilbage til Annalisa Pillepich, og de to udførte den samme slags statistisk analyse i det virtuelle univers af IllustrisTNG-simuleringerne. I simuleringer af den slags, trods alt, kosmisk evolution er ikke sat i "i hånden" af forskerne. I stedet, softwaren inkluderer regler, der modellerer fysikkens regler for det virtuelle univers så naturligt som muligt, og som også omfatter passende begyndelsesbetingelser, der svarer til tilstanden i vores eget univers kort efter Big Bang.

Det er derfor, simuleringer som den giver plads til det uventede - i dette særlige tilfælde, for at genfinde flyet, off-plane distribution af slukkede satellitgalakser:Det virtuelle univers viste den samme 5% afvigelse for quenching af satellitgalakser! Åbenbart, forskerne var inde på noget.

I tide, Pillepich, Martín-Navarro og deres kolleger kom med en hypotese for den fysiske mekanisme bag slukningsvariationen. Overvej en satellitgalakse, der rejser gennem en af ​​de fortyndede bobler, som det centrale sorte hul har blæst ind i det omgivende intergalaktiske medium. På grund af den lavere tæthed, at satellitgalaksen oplever mindre modvind, mindre ramtryk, og er dermed mindre tilbøjelige til at få fjernet sin gas.

Derefter, det er ned til statistik. For satellitgalakser, der allerede har kredset om de samme centrale galakser flere gange, krydser bobler, men også områder med højere tæthed imellem, effekten vil ikke være mærkbar. Sådanne galakser vil have mistet deres gas for længe siden.

Men for satellitgalakser, der har sluttet sig til gruppen, eller klynge, ret nylig, placering vil gøre en forskel:Hvis disse satellitter først lander i en boble, de er mindre tilbøjelige til at miste deres gas, så hvis de tilfældigvis lander uden for en boble. Denne effekt kunne forklare den statistiske forskel for de slukkede satellitgalakser.

Med den fremragende overensstemmelse mellem de statistiske analyser af både SDSS-observationerne og IllustrisTNG-simuleringerne, og med en plausibel hypotese for en mekanisme, dette er et meget lovende resultat. I sammenhæng med galakseudvikling, det er særligt interessant, fordi det bekræfter, indirekte, rollen som aktive galaktiske kerner varmer ikke kun intergalaktisk gas op, men aktivt "skubber det væk", at skabe områder med lavere tæthed. Og som med alle lovende resultater, der er nu en række naturlige retninger, som enten Martín-Navarro, Pillepich og deres kolleger eller andre videnskabsmænd kan tage for at udforske yderligere.