Νέες παρατηρήσεις από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, ή JWST, δίνουν στους αστρονόμους την πιο ξεκάθαρη ματιά τους στο πώς οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες λαμβάνουν το αέριο που χρειάζονται για να αναπτυχθούν.
Οι εικόνες αποκαλύπτουν μακριές δέσμες αερίου που συνδέουν την καυτή εξωτερική ατμόσφαιρα ενός γαλαξία με έναν ταχέως περιστρεφόμενο δίσκο γύρω από την κεντρική του μαύρη τρύπα. Αυτός ο δίσκος λειτουργεί ως τελική δεξαμενή υλικού πριν πέσει το αέριο προς τα μέσα και τροφοδοτήσει τη μαύρη τρύπα.
Μια διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής το Université de Montreal, με συνεισφορές από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, πραγματοποίησε τις παρατηρήσεις και ανέλυσε τα αποτελέσματα. Τα ευρήματά τους, δημοσιεύτηκαν στο τεύχος της 14ης Ιουλίου Επιστολές Αστροφυσικού ΠεριοδικούΒοηθήστε να απαντήσετε σε μια ερώτηση που προκαλεί τους αστρονόμους εδώ και δεκαετίες.
«Οι παρατηρήσεις του JWST μας προσφέρουν χιλιάδες νέα στοιχεία και μετρήσεις και μπορώ να αναφέρω ότι πρέπει να απορροφηθούν πολλά», δήλωσε η Μέγκαν Ντόναχου, διακεκριμένη καθηγήτρια Φυσικής και Αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του MSU. «Εργαζόμαστε όλοι μαζί για να λύσουμε ερωτήματα αστροφυσικής σχετικά με το πώς αυτές οι μαύρες τρύπες παίρνουν τα καύσιμα τους και πώς αλληλεπιδρούν με τους γαλαξίες-ξενιστές τους».
Πώς οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες επηρεάζουν τους γαλαξίες
Στο κέντρο σχεδόν κάθε μεγάλου γαλαξία βρίσκεται μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα ή SMBH. Αυτά τα αντικείμενα μπορεί να είναι εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια φορές πιο μαζικά από τον Ήλιο.
Μια μαύρη τρύπα από μόνη της δεν εκπέμπει φως. Ωστόσο, όταν μεγάλες ποσότητες αερίου και σκόνης πέφτουν προς το μέρος του, το υλικό θερμαίνεται και δημιουργεί μια πολύ φωτεινή και ισχυρή περιοχή. Οι αστρονόμοι τον αποκαλούν ενεργό γαλαξιακό πυρήνα ή AGN.
Μια ενεργή μαύρη τρύπα μπορεί να συμπεριφέρεται σαν μια ισχυρή κοσμική μηχανή. Αυτό μπορεί να εκτοξεύσει τεράστιους πίδακες που μεταφέρουν ενέργεια μακριά από το κέντρο του γαλαξία. Αυτοί οι πίδακες μπορούν να θερμάνουν το περιβάλλον αέριο, να επιβραδύνουν το σχηματισμό νέων άστρων και να επηρεάσουν την εξέλιξη των γαλαξιών για δισεκατομμύρια χρόνια.
Αυτό δημιουργεί ένα παζλ που διαρκεί. Εάν οι πίδακες θερμαίνουν το κοντινό αέριο, θα πρέπει να κάνουν πιο δύσκολο για αυτό το αέριο να κρυώσει και να πέσει προς τη μαύρη τρύπα. Θεωρητικά, η μαύρη τρύπα θα εξαντλούσε τελικά το δικό της απόθεμα τροφής.
Ωστόσο, πολλές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες συνεχίζουν να τρέφονται.
Ένας πιθανός κύκλος καυσίμου μαύρης τρύπας
Η κύρια εξήγηση είναι ότι το σύστημα αυτορυθμίζεται.
Το αέριο που θερμαίνεται από τη δραστηριότητα της μαύρης τρύπας μπορεί τελικά να κρυώσει ξανά. Καθώς χάνει ενέργεια, μπορεί να συμπυκνωθεί σε μακριές, στενές δομές γνωστές ως νήματα. Αυτά τα ρεύματα ψυχρού αερίου μπορούν στη συνέχεια να ρέουν πίσω προς το κέντρο του γαλαξία και να αναπληρώσουν την παροχή καυσίμου της μαύρης τρύπας.
Για να διερευνήσουν αυτή τη διαδικασία, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το JWST για να μελετήσουν τον NGC 4696, τον μεγαλύτερο κεντρικό γαλαξία στο σμήνος του Κενταύρου. Το σμήνος είναι μια πυκνή συλλογή γαλαξιών που απέχει περίπου 145 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη και θεωρείται ένα από τα καλύτερα μέρη για να εξεταστεί πώς αλληλεπιδρούν οι ενεργοί γαλαξιακές πυρήνες με το περιβάλλον τους.
Η ομάδα παρατήρησε το NGC 4696 για περίπου οκτώ ώρες χρησιμοποιώντας το όργανο NIRSpec του JWST. Το NIRSpec διαχωρίζει το υπέρυθρο φως στα συστατικά του μήκη κύματος, επιτρέποντας στους επιστήμονες να προσδιορίσουν πώς κινείται το αέριο, από τι αποτελείται και πώς οι ιδιότητές του ποικίλλουν σε μια περιοχή.
Οι χάρτες που προέκυψαν εντόπισαν την κίνηση του αερίου βαθιά στη σφαίρα επιρροής της μαύρης τρύπας. Αυτή είναι η περιοχή όπου η βαρύτητα της μαύρης τρύπας κυριαρχεί στην κίνηση των κοντινών αντικειμένων.
Το JWST ανέλυσε δομές πλάτους περίπου 30 ετών φωτός. Ενώ αυτή η απόσταση είναι τεράστια για τα ανθρώπινα πρότυπα, είναι ένα απίστευτα λεπτό επίπεδο λεπτομέρειας μέσα σε έναν γαλαξία που εκτείνεται σε δεκάδες χιλιάδες έτη φωτός.
Ρίξτε το αέριο σε έναν περιστρεφόμενο δίσκο
Οι παρατηρήσεις έχουν δείξει ότι μια δομή σε σχήμα S κοντά στο κέντρο του γαλαξία είναι στην πραγματικότητα ένας περιστρεφόμενος δίσκος αερίου που περιβάλλει την υπερμεγέθη μαύρη τρύπα.
Ο δίσκος εκτείνεται σε διάμετρο περίπου 800 ετών φωτός και μέρος του υλικού μέσα του κινείται με ταχύτητες έως και 600 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο.
Το πιο σημαντικό, ο δίσκος φαίνεται να είναι φυσικά συνδεδεμένος με ένα από τα μεγάλα νημάτια αερίου που ρέουν προς τα μέσα του γαλαξία. Τα δεδομένα JWST δείχνουν ότι το αέριο ταξιδεύει κατά μήκος του νήματος και εισέρχεται στον περιστρεφόμενο δίσκο που παρέχει υλικό στη μαύρη τρύπα.
Αυτή η σύνδεση εξακολουθεί να παρέχει μερικές από τις ισχυρότερες αποδείξεις παρατήρησης ότι τα ψυχρά νήματα αερίου μπορούν να λειτουργήσουν ως δίαυλοι τροφής για υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.
Ολοκλήρωση του βρόχου ανάδρασης της μαύρης τρύπας
Τα αποτελέσματα συμβάλλουν στη συμπλήρωση των βημάτων που λείπουν από έναν μεγαλύτερο κύκλο.
Πρώτον, πίδακες που εκτοξεύονται από ενεργές μαύρες τρύπες εγχέουν ενέργεια στο περιβάλλον γαλαξιακό αέριο. Με την πάροδο του χρόνου, αυτά τα σωματίδια αερίου ψύχονται, γίνονται ασταθή και καταρρέουν σε λεπτά νήματα. Μερικές από αυτές τις δομές έχουν πλάτος μόνο μερικές εκατοντάδες έτη φωτός, αλλά εκτείνονται για χιλιάδες έτη φωτός.
Καθώς το αέριο πέφτει προς τα μέσα, οι μαγνητικές δυνάμεις μπορούν να βοηθήσουν στην επιβράδυνση της περιστροφής του και να το τραβήξουν προς το κέντρο. Στη συνέχεια, το υλικό συλλέγεται σε έναν περιστρεφόμενο δίσκο γύρω από τη μαύρη τρύπα.
Ο δίσκος τροφοδοτεί τη μαύρη τρύπα, η μαύρη τρύπα τροφοδοτεί νέους πίδακες και αυτοί οι πίδακες θερμαίνουν με τη σειρά τους το περιβάλλον αέριο.
Με αυτόν τον τρόπο, η μαύρη τρύπα μπορεί να βοηθήσει στη δημιουργία των συνθηκών που θα παρέχουν τελικά το επόμενο καύσιμο της.
Η προσομοίωση υποστηρίζει παρατηρήσεις JWST
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επίσης προηγμένες προσομοιώσεις υπολογιστή για να ελέγξουν εάν αυτή η εξήγηση θα μπορούσε να αναπαράγει τη συμπεριφορά που παρατηρήθηκε από το JWST.
Το προσομοιωμένο αέριο κινήθηκε και συμπυκνώθηκε με τρόπο που έμοιαζε πολύ με το παρατηρούμενο σύστημα. Αυτή η συμφωνία παρέχει ανεξάρτητη υποστήριξη στην ιδέα ότι το ψυκτικό αέριο, τα μαγνητικά πεδία και οι πίδακες μαύρης τρύπας συνεργάζονται σε έναν αυτορυθμιζόμενο κύκλο.
«Η συμμετοχή σε αυτό το έργο είναι πραγματικά συναρπαστική», δήλωσε ο καθηγητής φυσικής και αστρονομίας του MSU, Mark Voight. “Οι υπολογισμοί από την ομάδα μας στην Πολιτεία του Μίσιγκαν προβλέπουν ότι τα μαγνητικά πεδία βοηθούν στην τροφοδοσία των μεγαλύτερων μαύρων τρυπών στο Σύμπαν ρέοντας ψυχρό αέριο προς αυτές και είναι εκπληκτικό να βλέπουμε αυτό να συμβαίνει σε αυτές τις εικόνες JWST.”
