Najväčšie galaxie vo vesmíre sú prázdnejšie, než by mali byť. Vedci už tušia, čo im bráni rodiť hviezdy
Supermasívne čierne diery môžu brániť vzniku nových hviezd. XRISM odhalil, kedy ich extrémne rýchle vetry odfukujú z galaxie plyn.
Najmasívnejšie galaxie vo vesmíre majú menej hviezd, než by podľa fyzikálnych modelov mať mali. Tento nesúlad medzi teóriou a realitou bol pre astrofyzikov dlho jednou z veľkých otázok. Nové pozorovania teraz podporujú vysvetlenie, podľa ktorého za chýbajúcimi hviezdami môžu stáť supermasívne čierne diery. Čierne diery totiž nemusia hviezdy priamo ničiť. Stačí, ak z galaxie vytlačia plyn, z ktorého by sa inak rodili ďalšie.
Samotná čierna diera za úbytok hviezd priamo nemôže. Kľúčové procesy sa odohrávajú v jej bezprostrednom okolí. Keď aktívne pohlcuje plyn a prach, vytvára okolo seba takzvaný akrečný disk. Ide o mimoriadne horúce prostredie, kde trenie a gravitácia rozkladajú hmotu až na plazmu. Z tohto kotla môžu vyraziť vetry takých rýchlostí, že vytláčajú plyn z centrálnej časti galaxie. A bez plynu nevznikajú nové hviezdy.
Čierna diera nefúka jedným smerom. Okolo nej sa vrství celá búrka plazmy
Doktorandka Xin „Cindy“ Xiang pracovala s dátami z kozmického teleskopu XRISM, ktorý vypustila Japonská agentúra pre výskum vesmíru v spolupráci s NASA a Európskou vesmírnou agentúrou. Sledovala galaxiu NGC 4151, jasnú galaxiu vzdialenú niečo vyše 50 miliónov svetelných rokov. V jej strede sedí supermasívna čierna diera, ktorá aktívne pohlcuje okolitý materiál. XRISM má energetické rozlíšenie zhruba desaťkrát lepšie než jeho predchodca, čo vedcom umožnilo rozlíšiť jemnú štruktúru týchto diskových vetrov.
Z piatich pozorovaní NGC 4151 vyplynulo, že vetry okolo čiernej diery nie sú jednovrstvové. V jednom spektre vedci identifikovali až šesť rôznych absorbujúcich komponentov. Najpomalšie takzvané teplé absorbéry sa pohybujú rýchlosťou stoviek kilometrov za sekundu. Na opačnom konci stoja ultrarýchle výtoky, ktoré môžu dosahovať až tretinu rýchlosti svetla. Všetky tieto typy vetrov môžu v galaxii existovať súčasne, čo naznačuje viacvrstvovú štruktúru vznikajúcu v rôznych vzdialenostiach od čiernej diery.
Najsilnejšie zložky pritom prekročili dôležitú hranicu. Ich kinetická luminozita presahuje 0,5 percenta Eddingtonovej luminozity. To je teoretický prah, pri ktorom môže byť vietor dostatočne silný na to, aby vyhnal plyn z galaktickej výdute a zabrzdil tam vznik hviezd. Aj pri konzervatívnych odhadoch zostávajú dve ultrarýchle zložky nad touto hranicou.
Neprehliadni
Röntgenové „farby“ prezradili, kedy sa vietor prebudí
Vetry v okolí aktívnych galaktických jadier sú vysoko premenlivé. Astronómovia preto nemôžu teleskop namieriť na galaxiu len tak naslepo a dúfať, že trafia správny moment. Xiang vyvinula spôsob, ako v dátach XRISM rozpoznať chvíle, keď sú rýchle výtoky v plnej sile. Sledovala stovky dní pozorovaní NGC 4151, hľadala röntgenové záblesky aj to, ako sa signál menil v hodinách po nich.
Okrem celkovej röntgenovej jasnosti sledovala aj to, či sú röntgenové lúče tvrdšie alebo mäkšie. Pre röntgenovú astronómiu je to niečo podobné ako farba pri viditeľnom svetle. Z oboch premenných zostavila jedno súhrnné číslo, ktoré nazvala index farebnej intenzity. Jon Miller, profesor astronómie na Michiganskej univerzite, navrhol skratku „cindicity“. Skratka je zároveň hravou narážkou na meno samotnej autorky.
„V budúcnosti by stačilo poznať cindicity sledovaného objektu a vedeli by sme odhadnúť, či sa práve pozeráme na rýchly výtok,“ vysvetlila Xiang.
Pre NGC 4151 zistila, že najrýchlejšie vetry sú najsilnejšie vtedy, keď sú röntgenové lúče tvrdé, ale slabé. Rýchle výtoky sa neukázali priamo počas röntgenových zábleskov, ale typicky asi 10 000 sekúnd, teda necelé tri hodiny, po nich. Ide o prvý priamy časový vzťah medzi röntgenovým správaním čiernej diery a jej galaktickými vetrami.
Plyn z disku nevyhadzuje len gravitácia. Do hry vstupuje aj magnetické pole
Vedci zároveň identifikovali mechanizmus, ktorý môže tieto vetry poháňať. Profil hustoty plynu v disku zodpovedá tomu, čo predpovedá takzvané magnetocentrifugálne urýchľovanie. Predstav si obyčajný prak, len v kozmickom meradle. Magnetické pole a rotácia akrečného disku zachytia plazmu na magnetických siločiarach a vystrelia ju von. Príspevok tlaku žiarenia však autori nevylučujú, najmä pri pomalších a menej ionizovaných zložkách vetra.
Xiang prezentovala výsledky na 248. stretnutí Americkej astronomickej spoločnosti v Pasadene. Štúdia vychádza z piatich pozorovaní XRISM uskutočnených v rokoch 2023 a 2024. Metóda cindicity by teraz mohla pomôcť plánovať pozorovania iných aktívnych galaxií. Astronómovia by tak vedeli, kedy sa oplatí namieriť ďalekohľad, aby zachytili vetry priamo v akcii. Najmasívnejšie galaxie tak možno nie sú prázdnejšie náhodou. Ich vlastné čierne diery môžu pracovať ako ventilátory nastavené na výkon, ktorý im odfúkne materiál na ďalšie hviezdy.
