Czarne dziury: nie niszczyciele, ale obrońcy

Koncepcja artysty przedstawia dipolowe dżety gazu wydobywające się z supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki. Źródło zdjęcia: ESA/Hubble, L. Kalkada (ESO)

Badanie ujawniło, że galaktyki mają mechanizm regulacyjny podobny do serca i płuc, który kontroluje ich wzrost poprzez ograniczenie absorpcji gazu.

Mechanizm ten wymaga ogromnej masy Czarna dziura Jego emisje dżetów zapobiegają zbyt szybkiemu rozszerzaniu się galaktyk, zapewniając ich długowieczność i zapobiegając ich przedwczesnemu starzeniu się i przekształceniu w galaktyki „zombie”.

Nowe badanie sugeruje, że galaktyki unikają przedwczesnej śmierci, ponieważ mają „serce i płuca”, które skutecznie regulują ich „oddychanie” i zapobiegają ich wymknięciu się spod kontroli.

Gdyby tak się nie stało, wszechświat starzałby się znacznie szybciej i jedyne, co dzisiaj widzielibyśmy, to masywne galaktyki „zombie” pełne martwych i umierających gwiazd.

Tak wynika z nowego badania opublikowanego w Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego, Który bada jedną z największych tajemnic wszechświata – dlaczego galaktyki nie są tak duże, jak oczekują astronomowie.

Wydaje się, że coś dławi jej ogromny potencjał, ograniczając ilość gazu pochłanianego w celu przekształcenia się w gwiazdy, co oznacza, że ​​zamiast rosnąć w nieskończoność, coś wewnątrz opiera się temu, co uważano za nieuniknioną siłę grawitacji.

Ten klip pokazuje hipersoniczny dżet generujący „ruch przypominający ryk” poprzez odbieranie impulsów z „serca” czarnej dziury, powodując jego rozszerzanie się i kurczenie „jak płuco wypełnione powietrzem” oraz „wydalanie ciepłego powietrza” ( fale ciśnienia) do otoczenia. Osie wykresu są bezwymiarowymi miarami odległości. Prawa autorskie: C. Richards/MD Smith/University of Kent

Analogia serca i płuc w galaktykach

Teraz astrofizycy z Uniwersytetu w Kent uważają, że być może odkryli tajemnicę. Sugerują, że galaktyki mogą kontrolować swoje tempo wzrostu poprzez sposób, w jaki „oddychają”.

W swojej analogii naukowcy porównali supermasywną czarną dziurę w centrum galaktyki z jej sercem oraz dwoma naddźwiękowymi dipolowymi strumieniami gazu i promieniowania, które emitują do dróg oddechowych zasilających płuca.

Impulsy z czarnej dziury – zwanej „jądrem” – mogą wywołać fronty uderzeń strumieniowych, które oscylują w przód i w tył wzdłuż dwóch osi dżetów, tak jak przepona piersiowa ludzkiego ciała porusza się w górę i w dół w jamie klatki piersiowej, napełniając i opróżniając oba płuca.

Może to spowodować szerokie przeniesienie energii dżetu do otaczającego ośrodka, tak jak wdychamy ciepłe powietrze, spowalniając akrecję i wzrost gazu w galaktyce.

Dwa różne przykłady symulujące jedną stronę symetrycznych dżetów dipolowych, gdzie fale ciśnienia rozchodzą się w ośrodku pozagalaktycznym. Tutaj zmiany ciśnienia są pokazane za pomocą czerwonej skali temperatur (ciemny = niskie ciśnienie, jasny = wysokie ciśnienie). Każdy strumień wchodzi z lewej strony pod ciśnieniem, które gwałtownie spada w miarę napierania na otaczające medium. Osie są bezwymiarowymi miarami odległości. Prawa autorskie: C Richards/MD Smith/University of Kent

Spostrzeżenia symulacyjne i dynamika galaktyczna

Doktorant Carl Richards wpadł na tę teorię po stworzeniu nowej, nigdy wcześniej nie wypróbowanej symulacji mającej na celu zbadanie roli, jaką naddźwiękowe dżety mogą odgrywać w tłumieniu wzrostu galaktyk.

Obejmowało to umożliwienie bicia „serca” czarnej dziury i wytworzenie w strumieniach wysokiego ciśnienia – podobnego do formy wysokiego ciśnienia krwi, jeśli porównamy je z ludzkim ciałem.

To spowodowało, że strumienie stały się „jak miech”, wysyłając fale dźwiękowe „jak zmarszczki na powierzchni stawu” – powiedział.

Zjawisko to jest podobne do ziemskiego odpowiednika fal dźwiękowych i uderzeniowych powstających podczas otwierania butelki szampana, skrzypienia samochodu, wydechu rakiety lub przekłuwania pojemników pod ciśnieniem.

Na tej artystycznej impresji w gorącym gazie wypełniającym gromadę Perseusza pojawiają się fale dźwiękowe (fale). Uważa się, że powstały z wnęk wyrzuconych przez dżety z supermasywnej czarnej dziury (jasnej białej plamy) w centrum galaktyki. Prawa autorskie: NASA/NASA/XC/M. Weissa

„Zdaliśmy sobie sprawę, że musi istnieć jakiś sposób, w jaki dżety mogą podtrzymywać obiekt – gaz otaczający galaktykę – i właśnie to odkryliśmy w naszych symulacjach komputerowych” – powiedział Richards.

„To nieoczekiwane zachowanie zostało ujawnione, gdy przeanalizowaliśmy symulacje komputerowe wysokiego ciśnienia krwi i umożliwienia bicia serca.

„To spowodowało wysłanie strumienia impulsów do strumieni wysokociśnieniowych, powodując ich zmianę kształtu w wyniku działania przypominającego mieszek frontów uderzeniowych strumienia oscylacyjnego”.

Naukowcy twierdzą, że te strumienie hiperciśnieniowe w rzeczywistości rozszerzały się „jak płuca wypełnione powietrzem”.

Robiąc to, przesłali fale dźwiękowe do otaczającej galaktyki w postaci serii zmarszczek ciśnienia, które następnie, jak wykazano, hamują rozwój galaktyk.

Wnioski i perspektywy na przyszłość

Istnieją pewne dowody na występowanie zmarszczek w ośrodkach pozagalaktycznych, takich jak te obserwowane w pobliskiej gromadzie galaktyk w Perseuszu, powiązane z masywnymi bąbelkami gorącego gazu, które uważa się za przykłady fal dźwiękowych.

Uważano już, że te zmarszczki są odpowiedzialne za utrzymanie środowiska wokół galaktyki, chociaż nie istniał mechanizm ich generowania.

W związku z tym konwencjonalne symulacje kosmologiczne nie są w stanie wyjaśnić przepływów gazu do galaktyk, co prowadzi do jednej z największych tajemnic wszechświata, dlatego opierają się na wysoce aktywnej czarnej dziurze w jądrze galaktyki, która zapewnia pewien opór.

Profesor Michael Smith, który brał udział w badaniu, powiedział: „Nie jest to łatwe, a ponadto mamy ograniczenia dotyczące rodzaju pulsu, wielkości czarnej dziury i jakości płuc”.

„Zbyt szybkie lub zbyt wolne oddychanie nie zapewni niezbędnych wibracji niezbędnych do utrzymania centrum galaktyki i jednocześnie zaopatrzenia jądra w paliwo”.

Naukowcy doszli do wniosku, że żywotność galaktyki można wydłużyć dzięki jej „sercu i płucom”, ponieważ silnik supermasywnej czarnej dziury w jej jądrze pomaga hamować wzrost, ograniczając ilość gazu zapadającego się w gwiazdy od wczesnego stadium.

Mówią, że pomogło to w stworzeniu galaktyk, które widzimy dzisiaj.

Bez takiego mechanizmu galaktyki wyczerpałyby do tego czasu swoje paliwo i zniknęły, tak jak niektóre galaktyki typu „czerwona śmierć” lub „zombie”.

Odniesienie: „Symulacja pulsacyjnych strumieni nadciśnieniowych: powstawanie mieszków i falowanie w środowiskach galaktycznych”, Carl Richards i Michael D. Smith, 12 lipca 2024 r., Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
DOI: 10.1093/mnras/stae1498