Supermasywne czarne dziury kontrolują formowanie się gwiazd w dużych galaktykach

Astronomowie znaleźli ścisłą korelację pomiędzy masą centralnej czarnej dziury w galaktyce a historią powstawania w niej gwiazd.

Młode galaktyki płoną blaskiem nowych gwiazd formujących się w szybkim tempie, jednak proces ten ostatecznie zamyka się  wraz ewolucją galaktyki. Nowe badanie, które zostało opublikowane 1 stycznia b.r. w Nature pokazuje, że masa czarnej dziury w centrum galaktyki decyduje o tym, jak szybko nastąpi „ugaszenie” procesu formowania się gwiazd.

Każda galaktyka w swoim centrum ma supermasywną czarną dziurę, ponad milion razy masywniejszą, niż Słońce, ujawniającą obecność poprzez jej grawitacyjne oddziaływanie na gwiazdy tej galaktyki i czasami zasilające energetyczne promieniowanie z aktywnego jądra galaktycznego (active galactic nucleus – AGN). Uważa się, że energia uwalniana do galaktyki z aktywnego jądra galaktycznego wyłącza formowanie się gwiazd poprzez ogrzewanie i rozpraszanie gazu, który w przeciwnym razie skraplał by się na gwiazdy podczas chłodzenia.

Pomysł ten istniał od dziesięcioleci, a astrofizycy odkryli, że symulacje ewolucji galaktyk muszą zawierać informacje zwrotne z czarnej dziury, aby odtworzyć obserwowane właściwości galaktyk. Jednakże do tej pory brakowało obserwacyjnych dowodów na związek supermasywnych czarnych dziur z formowaniem się gwiazd.

Astronomowie z Uniwersytetu Santa Cruz mówią, że jest to pierwszy bezpośredni dowód obserwacyjny, w którym mogą zobaczyć wpływ czarnej dziury na historię powstawania gwiazd w galaktyce. Nowe wyniki ujawniają ciągłą interakcję między aktywnością czarnej dziury a formowaniem się gwiazd w czasie życia galaktyki, wpływając na wszystkie generacje gwiazd formujących się gdy galaktyka ewoluuje.

Badanie prowadzone przez pierwszego autora pracy, dr hab. Ignacio Martín-Navarro z University California-Santa Cruz, dotyczyło masywnych galaktyk, dla których masa centralnej czarnej dziury została zmierzona we wcześniejszych badaniach poprzez analizę ruchu gwiazd w pobliżu centrum galaktyki. Aby określić historię powstawania gwiazd w galaktykach, Martín-Navarro przeanalizował szczegółowe spektrum ich światła otrzymane z przeglądu Hobby-Eberly Telescope Massive Galaxy Survey.

Spektroskopia umożliwia astronomom oddzielenie i mierzenie różnych długości fal światła z obiektu. Martín-Navarro wykorzystał techniki obliczeniowe do analizy widma każdej galaktyki i przywrócenia historii powstawania gwiazd dzięki znalezieniu najlepszej kombinacji gwiezdnych populacji, aby pasowały do danych spektroskopowych. 

Kiedy porównał historię powstawania gwiazd w galaktykach z czarnymi dziurami o różnych masach, zauważył uderzające różnice. Korelowały one jedynie z masą czarnej dziury, a nie z galaktyczną morfologią, rozmiarem lub innymi właściwościami.

„W przypadku galaktyk o tej samej masie gwiazdowej ale o różnej masie czarnej dziury w centrum, galaktyki z większymi czarnymi dziurami gasły wcześniej i szybciej niż te z mniejszymi czarnymi dziurami. Zatem tworzenie gwiazd trwało dłużej w tych galaktykach z mniejszymi centralnymi czarnymi dziurami” – powiedział Martín-Navarro.

Inni badacze poszukiwali współzależności pomiędzy formowaniem się gwiazd a jasnością aktywnych jąder galaktycznych, bez powodzenia. Martín-Navarro powiedział, że może tak być, ponieważ skale czasowe są tak różne, z formowaniem się gwiazd przez setki milionów lat, podczas gdy wybuchy z aktywnych jąder galaktycznych występują w krótszym czasie.

Supermasywna czarna dziura świeci tylko wtedy, gdy aktywnie pochłania materię z wewnętrznych obszarów swojej galaktyki. Aktywne jądra galaktyk są bardzo zmienne a ich właściwości zależą od wielkości czarnej dziury, szybkości akrecji nowej materii opadającej na czarną dziurę oraz innych czynników.

“Użyliśmy masy czarnych dziur jako pośrednika dla energii wprowadzonej do galaktyki przez AGN, ponieważ akrecja na bardziej masywne czarne dziury prowadzi do bardziej energetycznej odpowiedzi z aktywnych jąder galaktycznych, co przyspieszyłoby proces formowania się gwiazd” - wyjaśnia Martín-Navarro.

Dokładny charakter informacji zwrotnej z czarnej dziury, która gasi powstawanie gwiazd, pozostaje niepewny, według współautora, Aarona Romanowsky, astronoma z Uniwersytetu Stanowego San Jose i Obserwatoriów UC.

„Istnieje wiele sposobów, na jakie czarna dziura może wprowadzać energię do galaktyki, a teoretycy mają wiele pomysłów na temat tego, jak działa gaszenie, ale mają jeszcze dużo pracy, aby dopasować te nowe obserwacje do modeli” – powiedział Romanowsky.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Supermassive black holes control star formation in large galaxies

Źródło:
University of California-Santa Cruz

Na zdjęciu: Wizja artystyczna przedstawiająca supermasywną czarną dziurę w centrum galaktyki. Źródło: NASA/JPL-Caltech