Благодаря новым снимкам, сделанным космическим телескопом «Джеймс Уэбб», астрономы приблизились к разгадке тайны того, как сверхмассивные черные дыры подпитывают себя. Эти снимки дают самое четкое из когда-либо полученных изображений газовых нитей, соединяющих горячую атмосферу галактики с вращающимся газовым диском, который питает центральную сверхмассивную черную дыру.
Университет штата Мичиган помог международной группе ученых под руководством Монреальского университета провести наблюдения и интерпретировать данные, чтобы найти ответ на вопрос, который десятилетиями ставил ученых в тупик. Результаты работы были опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.
«Наблюдения с помощью космического телескопа "Джеймс Уэбб" дают нам тысячи новых фактов и измерений. — говорит Меган Донахью, заслуженный профессор физики и астрономии. — Мы все вместе работаем над решением астрофизических вопросов о том, как черные дыры получают топливо и как они взаимодействуют с галактикой, в которой находятся».
Почти в каждой крупной галактике Вселенной есть сверхмассивная черная дыра в центре, масса которой в миллионы или даже миллиарды раз превышает массу Солнца. Когда черные дыры активно поглощают окружающий их материал, они работают как космические двигатели, выбрасывая мощные энергетические струи, которые могут формировать всю галактику вокруг себя, замедляя рождение новых звезд и влияя на рост галактики с течением времени. Астрономы называют такие черные дыры активными ядрами галактик.
Но если струи активного ядра галактики нагревают окружающий газ, то в принципе это должно перекрывать поступление пищи к черной дыре. Так как же она продолжает питаться и расти? Основная гипотеза заключается в том, что газ в конечном итоге остывает, конденсируется в длинные тонкие нити, называемые филаментами, и возвращается к центру галактики в ходе саморегулируемого процесса.
Чтобы проверить эту гипотезу, команда направила телескоп «Джеймс Уэбб» на NGC 4696, центральную галактику скопления Центавр, — плотной группы галактик, расположенной в 145 миллионах световых лет от Земли и являющейся одной из лучших лабораторий для изучения механизмов активных галактических ядер.
За 8 часов наблюдений с помощью прибора NIRSpec команда составила подробные карты движения газа глубоко внутри сферы влияния черной дыры. Разрешение было достаточно высоким, чтобы различить объекты на расстоянии 30 световых лет — крошечный фрагмент галактики шириной в сотни тысяч световых лет.
Карты показали, что S-образный вихрь представляет собой вращающийся газовый диск, окружающий сверхмассивную чёрную дыру, диаметром почти 800 световых лет, в котором вещество вращается со скоростью до 600 километров в секунду. И что особенно важно, этот диск физически связан с одной из крупных нитевидных структур, простирающихся в сторону галактики. Наблюдения показали, что газ движется вдоль нити и попадает в диск, который питает сверхмассивную чёрную дыру.
Это исследование помогает астрономам составить более полное представление о цикле питания сверхмассивной черной дыры. Струи от черной дыры накачивают энергией окружающий галактику газ. Этот газ со временем остывает, становится нестабильным и сжимается в длинные нити, некоторые из которых имеют ширину всего несколько сотен световых лет, но протяженность их достигает тысяч световых лет. Магнитные силы замедляют вращение газа по мере его падения, направляя его внутрь. Газ скапливается в виде вращающегося диска вокруг черной дыры. Диск питает черную дыру. Черная дыра выбрасывает свои струи. И цикл начинается заново.
Чтобы проверить, верно ли это объяснение, команда также провела компьютерное моделирование системы. Моделируемый газ вел себя почти так же, как на снимках «Джеймса Уэбба», что является убедительным независимым подтверждением предложенной картины.
«Было очень интересно участвовать в этом проекте», — сказал профессор физики и астрономии Марк Войт. «Расчеты показывают, что магнитные поля должны способствовать подпитке самых больших черных дыр во Вселенной, направляя к ним холодный газ. Удивительно видеть, как это происходит на снимках JWST».
[Фото: NASA, ESA/Hubble, A. Fabian]
