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 kończy się wraz ewolucją galaktyki. Nowe badanie, opublikowane 1 stycznia 2018 roku w „Nature”, pokazuje, że masa czarnej dziury w centrum galaktyki decyduje o tym, jak szybko nastąpi „ugaszenie” procesu formowania się gwiazd.
Każda galaktyka ma w swoim centrum supermasywną czarną dziurę, ponad milion razy masywniejszą niż Słońce. Jej obecność ujawnia się poprzez jej grawitacyjne oddziaływanie na gwiazdy tej galaktyki, a czasami także poprzez 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 skraplałby się na gwiazdy podczas chłodzenia. Koncepcja ta liczy już kilkadziesiąt lat, a astrofizycy odkryli, że symulacje ewolucji galaktyk muszą zawierać informacje o oddziaływaniu czarnej dziury, aby odtworzyć obserwowane właściwości galaktyk. Jednakże do tej pory brakowało dowodów z obserwacji na związek supermasywnych czarnych dziur z formowaniem się gwiazd.
Astronomowie z Uniwersytetu Santa Cruz w Kalifornii mówią, że jest to pierwszy bezpośredni dowód obserwacyjny potwierdzający wpływ czarnej dziury na historię powstawania gwiazd w galaktyce. Nowe wyniki ujawniają interakcję między aktywnością czarnej dziury a formowaniem się gwiazd w czasie życia galaktyki, wpływając na wszystkie generacje gwiazd powstających w miarę jak galaktyka ewoluuje. Badanie prowadzone przez pierwszego autora pracy, dr. hab. Ignacia Martína-Navarro, 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 odtworzenia historii powstawania gwiazd poprzez wyszukanie najlepszej kombinacji gwiezdnych populacji, aby pasowały do danych spektroskopowych. Kiedy porównał historię powstawania gwiazd w galaktykach, których czarne dziury mają różną masę, zauważył uderzające różnice. Korelowały one jedynie z masą czarnej dziury, a nie z morfologią danej galaktyki, jej rozmiarem lub innymi właściwościami.
W przypadku galaktyk o tej samej masie gwiazdowej, ale 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 galaktykach z mniejszymi centralnymi czarnymi dziurami – powiedział Martín-Navarro.
Inni badacze poszukiwali współzależności pomiędzy formowaniem się gwiazd a jasnością aktywnych jąder galaktycznych, ale bez powodzenia. Martín-Navarro powiedział, że mogło się tak stać, ponieważ skale czasowe są bardzo różne: gwiazdy formują się 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.
Według współautora, Aarona Romanowsky, astronoma z Uniwersytetu Stanowego San Jose i Obserwatoriów UC, dokładny charakter czarnej dziury, która gasi powstawanie gwiazd, pozostaje niejasny.
Jest wiele sposobów, na jakie czarna dziura może wprowadzać energię do galaktyki, a teoretycy mają wiele pomysłów na temat tego, jak przebiega takie gaszenie, ale mają jeszcze dużo pracy, aby dopasować te nowe obserwacje do modeli – powiedział Romanowsky.
Więcej:
Supermassive black holes control star formation in large galaxies
Źródło:
University of California-Santa Cruz
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Na zdjęciu: Wizja artystyczna przedstawiająca supermasywną czarną dziurę w centrum galaktyki. Źródło: NASA/JPL-Caltech
