[Перевод] У растущих чёрных дыр нашли много общего с новорождёнными звёздами
Под действием магнитных полей спиральный ветер помогает расти сверхмассивной чёрной дыре в галактике ESO320-G030. На этой иллюстрации в ядре галактики доминирует вращающийся ветер плотного газа, выходящий из (скрытой) сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики. Движения газа, отслеживаемые по свету от молекул цианистого водорода, были измерены с помощью Atacama Large Millimeter/submillimeter Array.
На первый взгляд большинство наблюдателей могут сказать, что сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) и очень молодые звёзды не имеют ничего общего. Но это не так. Астрономы обнаружили сверхмассивную чёрную дыру, рост которой регулируется так же, как и рост звезды-малютки: магнитными ветрами.
Сверхмассивные чёрные дыры настолько массивны, что их трудно представить. Они могут быть в миллиарды раз массивнее нашего Солнца, и это число так легко произнести, что оно умаляет их истинную величину. Они становятся такими большими благодаря двум механизмам: слиянию и аккреции.
Чёрные дыры нельзя увидеть напрямую, но их существование подтверждается наблюдением за тем, как они изменяют своё окружение. СМЧД настолько массивны, что изменяют орбиты и скорости близлежащих звёзд — это явление астрономы наблюдали совершенно отчётливо. СМЧД также проявляются как активные галактические ядра, когда они активно аккрецируют материал. И наконец, когда чёрные дыры сливаются, они испускают гравитационные волны, которые мы можем обнаружить с помощью таких приборов, как LIGO/Virgo.
Но есть много вопросов, на которые нет ответов — в частности, о том, как чёрные дыры растут за счёт аккреции. Чтобы попытаться понять, как СМЧД аккрецирует газ и набирает массу, группа исследователей провела наблюдения за ESO320-G030, близлежащей галактикой, удалённой от нас всего на 120 миллионов световых лет.
Их результаты представлены в работе под названием «Впечатляющий магнитогидродинамический ветер галактического масштаба в ESO 320-G030». Работа опубликована в журнале Astronomy and Astrophysics, ведущий автор — Марк Горски, постдок из Северо-Западного университета.
Один из нерешённых вопросов в изучении СМЧД касается обратной связи с чёрными дырами. Не весь материал, попадающий в аккреционный диск СМЧД, попадает в дыру. Часть его выбрасывается в виде джетов — релятивистских струй. Это часть процесса, называемого обратной связью чёрной дыры, и она определяет, как растёт чёрная дыра и как быстро в её галактике образуются новые звёзды.
ESO 320-G030 интересна не только тем, что в ней находится СМЧД, но и тем, что она образует новые звёзды с огромной скоростью — примерно в десять раз быстрее, чем Млечный Путь. Чтобы попытаться понять все процессы в ядре галактики, команда исследователей использовала Атакамскую большую миллиметровую/субмиллиметровую решётку (ALMA) для наблюдения за молекулами, перемещающимися из центра галактики наружу.
«То, как галактики регулируют рост ядра за счёт аккреции газа сверхмассивными чёрными дырами (СМЧДs), является одним из самых фундаментальных вопросов в эволюции галактик», — пишут авторы в своей научной статье. «Одним из потенциальных способов регулирования роста ядер является галактический ветер, который удаляет газ из ядра».
Сила ALMA заключается в его способности видеть сквозь толщу газа и пыли и наблюдать свет, который находится между инфракрасным излучением и радиоволнами. Он может отслеживать холодные молекулы по свету, который они излучают в этих диапазонах волн. В данном исследовании ALMA отслеживал HCN (цианистый водород), проходящий через ядро ESO 320-G030.
«Пока неясно, приводятся ли галактические ветры в движение струями, механическими ветрами, излучением или с помощью магнитогидродинамических (МГД) процессов», — пишут авторы. Используя ALMA для наблюдения HCN, исследователи надеются внести ясность».
Джет сверхмассивной чёрной дыры глазами художника.
ESO 320-G030 — это особый тип галактик. Это светящаяся в инфракрасном диапазоне галактика с очень компактным ядром, заслонённым пылью. Около 30% галактик такого типа имеют очень компактные ядра с растущими СМЧД или необычными вспышками звёздообразования. В ядре галактики явно происходит много событий, поэтому оно является важнейшей целью для астрофизиков и астрономов.
«Поскольку эта галактика очень светится в инфракрасном диапазоне, телескопы могут разглядеть поразительные детали в её центре», — говорит Сюзанна Аалто, профессор радиоастрономии в Технологическом университете Чалмерса. «Мы хотели измерить свет, идущий от молекул, переносимых ветрами из ядра галактики, в надежде проследить, как эти ветры запускаются растущей или скоро растущей сверхмассивной чёрной дырой. С помощью ALMA мы смогли изучить свет, проникающий за толстые слои пыли и газа».
Среди астрономов ведутся споры о природе обратной связи между чёрными дырами. В галактиках существуют потоки газа, приводимые в движение активными галактическими ядрами (АГЯ), которые нагнетают газ обратно в ядро галактики, но они не могут прийти к единому мнению о природе обратной связи. Это могут быть джеты, механические ветры или излучение. Наблюдения за ESO 320-G030 с помощью ALMA, способного отслеживать молекулы, дают возможность глубоко погрузиться в дискуссию.
ALMA удалось проследить поведение HCN из-за возбуждающих колебаний. В результате наблюдений были составлены карты движения молекулы в ядре галактики.
На этом рисунке из исследования показано взвешенное по интенсивности поле скоростей HCN в ядре ESO 320-G030. Авторы пишут: «Примерное расположение и направление оттока показано пунктирными стрелками». Контуры на рисунке показывают, что эмиссия HCN-вибрации «вытянута вдоль оттока и что отток запускается с одинаково вращающихся сторон ядра».
«Мы видим, как ветры образуют спиралевидную структуру, выходящую из центра галактики. Когда мы измерили вращение, массу и скорость материала, вытекающего наружу, мы с удивлением обнаружили, что можем исключить многие объяснения мощности этого ветра — например, звёздообразование. Вместо этого исходящий поток может быть вызван входящим потоком газа и, похоже, удерживается вместе магнитными полями», — говорит Аалто.
Когда СМЧД втягивает вещество в свой вращающийся аккреционный диск, вращение создаёт мощные магнитные поля. Магнитные поля уносят материю от центра, создавая спиралевидный магнитогидродинамический (МГД) ветер. По мере удаления вещества ветром вращение диска замедляется. Замедление вращения позволяет большему количеству вещества попадать в дыру, что позволяет СМЧД расти более массивным.
Другие ветры и струи в ядре отбрасывают материал от чёрных дыр в ядрах галактик, но этот недавно обнаруженный ветер подаёт материал в чёрную дыру. «В этом письме мы приводим убедительные доказательства того, что отток в ESO 320-G030 приводится в движение другим механизмом — МГД-ветром, запущенным до появления АГЯ», — пишут авторы. Поскольку АГЯ наблюдается, когда СМЧД аккрецирует материал в свой диск, и этот материал нагревается в результате вращения, наблюдаемый исследователями ветер, вероятно, отвечает за подачу материала в диск чёрной дыры, часть которого попадает в саму дыру».
По мнению астрономов, создавших эту работу, изображения, полученные с помощью ALMA, дают новое захватывающее представление о ветрах в галактическом ядре ESO 320-G030. «Что впечатляет в морфологии оттока, так это то, что области запуска очевидно связаны с вращающейся структурой, расположенной во внутренней части ядра, в радиусе порядка 12 пк», — пишут они. Выявленные ALMA закономерности намекают на наличие намагниченного вращающегося ветра.
Главное, что придаёт вращение материи — это ветер. «Вращение оттоков является явным признаком магнитного ускорения, — объясняют авторы. Если его движущей силой является магнитное ускорение, то другие явления, о которых спорят астрономы, — АГЯ, астрофизические струи или излучение — не могут за это отвечать».
Этот недавно обнаруженный ветер похож на ветры вокруг молодых протозвёзд, которые аккрецируют материал и активно растут.
Концепция художника, изображающая рождение звезды в защитной оболочке из газа и пыли. Новое исследование показывает, что магнитные ветры способствуют росту как протозвёзд, так и СМЧД.
«Хорошо известно, что звёзды на первых этапах своей эволюции растут с помощью вращающихся ветров — ускоренных магнитными полями, подобно ветру в этой галактике. Наши наблюдения показывают, что сверхмассивные чёрные дыры и крошечные звёзды могут расти за счёт схожих процессов, но в совершенно разных масштабах, — говорит ведущий автор статьи Горски в пресс-релизе.
Это может стать большим шагом в понимании того, как растут сверхмассивные чёрные дыры, но авторы знают, что это только один шаг. Им нужно пронаблюдать больше СМЧД и собрать больше данных, прежде чем можно будет сказать что-то окончательное.
«Далеко не на все вопросы об этом процессе получены ответы. В наших наблюдениях мы видим явные свидетельства наличия вращающегося ветра, который помогает регулировать рост центральной чёрной дыры галактики. Теперь, когда мы знаем, что искать, следующий шаг — выяснить, насколько распространено это явление. И если это стадия, через которую проходят все галактики со сверхмассивными чёрными дырами, то что происходит с ними дальше?» — спрашивает ведущий автор работы Горски.
