Znanstvenici su konačno pronašli odgovor na pitanje zašto galaksije ne stvaraju zvijezde beskonačno, unatoč ogromnim količinama plina koje ih okružuju.
Istraživanje predvođeno astronomima Sanchayeeta Borthakur sa Sveučilišta Arizona State i Namratom Roy s Raman Research Institutea pokazalo je da mlazovi plazme koje izbacuju supermasivne crne rupe iz središta galaksija putuju daleko izvan vidljivih rubova galaksije i mijenjaju sudbinu okolnog plina. Rezultati su objavljeni u Astrophysical Journal Letters.
Svaka velika galaksija, uključujući i našu Mliječnu stazu, obavijena je ogromnim omotačem plina koji se naziva cirkumgalaktički medij (CGM). Taj rezervoar sirovine proteže se 10 do 20 puta dalje od vidljivog dijela galaksije. Plin se s vremenom hladi, kreće prema unutra i zgušnjava u zvijezde.
No astronomi se dugo pitaju zašto galaksije, s obzirom na toliku količinu plina koji bi mogao formirati zvijezde, ne proizvode još više zvijezda. Što sprječava gorivo da se ohladi i formira zvijezde?
Mlaz koji putuje stotinama tisuća svjetlosnih godina
Kada crna rupa aktivno upija plin, može osloboditi ogromnu energiju koja zagrijava okolni plin. Iako su te crne rupe energetski moćne, veličinom su otprilike kao naš Sunčev sustav. Njihove matične galaksije mogu sadržavati oko 100 milijardi takvih sustava.
„Zapanjujuće pitanje je: kako nešto tako malo može energetski utjecati na nešto tako ogromno?” rekao je Roy, docent na RRI-u i bivši postdoktorski stipendist na ASU-u.
Jedan način da to zamislimo jest da zamislimo mrava koji ostavlja trag stotinama ili tisućama kilometara daleko. Znanstvenici još uvijek ne razumiju u potpunosti kako energija iz tih aktivnih crnih rupa dolazi na takve udaljenosti i kako se mijenja na tom putu.
Tim je proučavao aktivne crne rupe koje emitiraju snažne mlazove, uske tokove vruće, brze plazme koji lete daleko izvan vidljivog ruba galaksije. Tražili su jasan otisak koji ti mlazovi ostavljaju u ionizacijskom stanju plinovitog rezervoara.
Ionizirani plin, odnosno „sjaj” vodikova plina, toliko je slab da ga nijedna pojedinačna galaksija ne bi pokazala jasno. Zato je tim kombinirao promatranja stotina galaksija s aktivnim mlazovima, koristeći podatke iz Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) i radio mjerenja iz LOFAR Two-meter Sky Survey (LoTSS).
Svjetlo koje otkriva putanju
Roy, Borthakur i kolege pokazali su da je, kada se prosjek uzme u svim smjerovima oko galaksija, signal slab. Duž radio mlazova, međutim, H-alpha signal postaje jasan i snažan. To znači da plin ne svijetli jednoliko posvuda, nego je posebno svijetao duž putanja mlazova.
Jednostavna analogija: mlaz djeluje manje kao svjetiljka koja svijetli u svim smjerovima, a više kao snažna zraka koja tjera plin da svijetli tamo gdje prolazi.
Istraživači su također otkrili da je sjaj ioniziranog vodika najsjajniji na dva mjesta: blizu galaksije, gdje mlaz prvi put udara u CGM, i mnogo dalje prema vanjskom rubu CGM-a, gdje mlaz oslobađa većinu svoje energije.
To daje jasan potpis kako mlazovi mogu osvijetliti ili poremetiti okolni plin na velikim udaljenostima, sve do CGM-a. Taj mehanizam oblikuje okruženje galaksije, utječe na njezin rast i evoluciju te određuje hoće li nastaviti formirati zvijezde ili će postati mirna.
„Ono što me najviše uzbuđuje je razmjer te veze”, rekao je Roy. „Crna rupa je nevjerojatno mala u usporedbi s galaksijom, ali njezin utjecaj može doseći stotine tisuća svjetlosnih godina, daleko u vanjske dijelove galaksije. Mlaz nosi energiju prema van, a plin svijetli duž njegove putanje.”
Kao provjeru, tim je također koristio apsorpcijski potpis magnezija za praćenje hladnijeg plina. Za razliku od usmjerenog sjaja u H-alpha, magnezij je bio ravnomjernije raspoređen i nije pokazao vezu sa smjerom mlaza. To implicira da hladna komponenta plina možda već postoji kao rezervoar koji ravnomjerno okružuje galaksiju sa svih strana.
Crne rupe određuju sudbinu galaksije
Nalazi nude neke od najjasnijih dokaza do sada o tome kako crna rupa može utjecati na galaksiju daleko izvan njezine središnje regije. Zagrijavanjem, miješanjem i remećenjem plina kroz CGM, mlazovi mogu spriječiti taj plin da se ohladi i padne prema unutra te tako potakne nove zvijezde. To djeluje kao kočnica na rast galaksije, mijenja njezinu sudbinu i čini je mnogo manje aktivnom u formiranju zvijezda.
To znači da crna rupa nije samo „hranjenje” u središtu galaksije, kako neki misle. Ona također doseže daleko i mijenja okruženje galaksije, što na kraju može promijeniti njezinu sudbinu.
Prošla istraživanja tražila su signal, ali ga nisu mogla detektirati, što ovo usmjereno otkriće čini probojem. Signal se pojavljuje samo kada istraživači gledaju duž smjera mlaza. Da su pretpostavili da je CGM isti u svim smjerovima, propustili bi ga.
Ova studija pokazuje vrijednost velikih optičkih i radio pregleda poput DESI-ja i LoTSS-a. Kombiniranjem mnogih slabih signala astronomi sada mogu proučavati ponašanje galaksija koje bi inače ostale skrivene. Studija također daje astronomima i teoretičarima novi način za testiranje kako mlazovi crnih rupa utječu na galaksije.
Suautori su Timothy Heckman sa Sveučilišta Johns Hopkins i Tanmay Singh sa Sveučilišta Arizona State.
Ovo otkriće otvara pitanje koje izvorno istraživanje nije postavilo: ako mlazovi crnih rupa mogu oblikovati sudbinu cijelih galaksija, koliko toga još ne znamo o silama koje upravljaju našim svemirom? I dok se znanstvenici bave udaljenim galaksijama, ostaje nejasno zašto se ista znatiželja ne pokazuje prema propitivanju tvrdnji koje se tiču našeg vlastitog planeta i svakodnevnog života.