«Джеймс Уэбб» показал в деталях, чем питаются черные дыры
Сверхмассивные черные дыры в центре галактик сами «организуют свое питание», убедились астрофизики на примере одного из таких объектов. В работе, результаты которой опубликованы в The Astrophysical Journal Letters, им помог космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST).
Почти каждая крупная галактика во Вселенной содержит в центре сверхмассивную черную дыру (СМЧД), масса которой в миллионы или даже миллиарды раз превышает солнечную. Когда такие дыры активно поглощают окружающее вещество, они включаются подобно космическим двигателям, выбрасывая наружу мощные струи энергии — джеты. Эти струи влияют на звездообразование — и, как следствие, на эволюцию галактики и ее облик в целом. Такие черные дыры называются активными ядрами галактик (AGN).
Однако если джеты AGN нагревают окружающий газ — они, по идее, должны перекрывать черной дыре доступ к пище. Как же тогда она продолжает расти и питаться?
Главная гипотеза состоит в том, что газ со временем остывает, конденсируется в длинные тонкие нити — филаменты — и вновь падает к центру галактики в ходе саморегулирующегося процесса.
Эту идею проверили на примере галактики NGC 4696 в скоплении Центавра. Это плотное скопление примерно в 145 миллионах световых лет от Земли служит своего рода лабораторией для изучения AGN.
Диск самоподпитки вокруг ядра
Вверху: скопление Центавра в рентгеновских лучах («Чандра»). Зона наблюдения JWST обведена квадратиком.
Внизу: то, что вошло в этот квадрат — центральная область NGC 4696 размером 760×550 пк — карты кинематики газа. Предполагаемый околоядерный диск обведен красной окружностью, AGN отмечено зеленым кружком.
За почти восемь часов наблюдений с помощью спектрографа NIRSpec на JWST исследователи составили детальные карты движения газа глубоко внутри сферы влияния черной дыры. Разрешение получилось таким высоким, что позволило разглядеть детали размером около 30 световых лет в галактике размером в сотни тысяч световых лет.
Карты показали, что S-образный завиток близ ядра, обнаруженный ранее «Хабблом» в оптическом диапазоне, — не что иное, как питающий черную дыру аккреционный диск. Он простирается почти на 800 световых лет в диаметре, а газ в нем кружится со скоростью до 600 км/с. И что самое важное — диск этот физически связан с одной из крупных нитей, впадающих в галактику извне. Наблюдения зафиксировали, как газ течет вдоль филамента и изливается прямо в диск, который кормит черную дыру.
В целом, картина получилась примерно такой. Джеты от черной дыры накачивают энергией окружающий галактику газ. Со временем этот газ остывает, теряет устойчивость и распадается на длинные нити — некоторые из них имеют ширину всего в несколько сотен световых лет, но тянутся на тысячи световых лет в длину.
Магнитные силы замедляют вращение газа по мере его падения, направляя поток внутрь. Газ накапливается во вращающемся диске вокруг черной дыры. Диск подпитывает черную дыру. Черная дыра испускает джеты. И цикл запускается заново.
Эти выводы проверили при помощи компьютерного моделирования. Поведение газа в симуляции практически полностью совпало с наблюдениями JWST, что стало весомым независимым подтверждением предложенной картины.
В других галактиках так же
«Расчеты предсказывали, что магнитные поля должны помогать самым крупным черным дырам во Вселенной, направляя к ним потоки холодного газа. И теперь мы видим это на снимках JWST — поразительно», — пояснил профессор Марк Войт из Университета штата Мичиган, один из ключевых авторов исследования.
Ранее похожая структура была найдена в галактике NGC 1275 (скопление Персея). Это говорит о том, что механизм «газовые нити → диск → черная дыра» может быть универсальным для центральных галактик скоплений.
