Jak czarne dziury regulują tempo formowania się gwiazd w galaktykach eliptycznych

W próbce galaktyk zaobserwowanych m.in. przez Teleskop Hubble’a widać łańcuchy formowania się gwiazd, które świecą wyjątkowo jasno w ultrafiolecie. We wszystkich galaktykach tworzenie się nowych gwiazd jest wynikiem działania dżetów produkowanych przez czarną dziurę – to właśnie one regulują dopływ gazu z galaktycznego halo. Źródło: NASA/ESA/G. Tremblay (Yale Univ.)/R. Mittal (Rochester Institute of Technology and Max Planck Institute for Gravitational Physics)

Astronomowie odkryli najprawdopodobniej proces, w którym największe galaktyki eliptyczne we Wszechświecie nadal „tworzą” młode, nowe gwiazdy – i to już na długo po osiągnięciu swego maksimum aktywności gwiazdotwórczej. Precyzyjne obserwacje ich światła ultrafioletowego (możliwe dzięki ogromnej mocy Teleskopu Hubble’a i przeprowadzone we współpracy z paroma teleskopami na powierzchni Ziemi) pozwoliły im ujrzeć węzły gorących, młodych gwiazd, formujące się wzdłuż osi dżetów wydobywających się z czarnych dziur w centrach takich galaktyk.

Okazuje się, że sama czarna dziura, związane z nią dżety, oraz nowo narodzone gwiazdy są częścią samoregulującego się cyklu. Energetyczne dżety “wystrzeliwane” z biegunów magnetycznych czarnej dziury podgrzewają gaz w galaktycznych otoczkach – tzw. halo, kontrolując tym samym tempo, w jakim ten gaz ochładza się, po czym opada na swą macierzystą galaktykę.

Gaz taki możemy sobie wyobrazić jako atmosferę galaktyki. Może ona występować w różnych stanach skupienia – gazowym, w postaci chmur, lub jako opady. To, co naukowcy zobaczyli w trakcie swych badań, przypomina jednak najbardziej burzę. Po tym, jak dżety trafiają w gaz i spychają go w kierunku na zewnątrz od centrum galaktyki, pewna ilość tego gazu ochładza się i wytrąca w postaci zimnych skupisk, które następnie mogą się kondensować i przemieścić z powrotem ku centrum galaktyki - tak jak spadające pod wpływem swego ciężaru krople deszczu. Takie „krople” ostatecznie schładzają się tam na tyle, że mogą przeobrazić się w gwiazdotwórcze obłoki chłodnego gazu molekularnego.  To właśnie takie obłoki sfotografował w ultrafiolecie Teleskop Hubble’a. Ich dystrybucja jest połączona z układem dżetów – znaleziono je bowiem w obrębie filamentów i specyficznych „macek” związanych z dżetami i owijających się wokół nich. Tworzą one w rezultacie wirujące „kałuże” chłodnego gazu wokół centralnej czarnej dziury. To właśnie tu powstaje najwięcej gwiazd.

Ale i sama czarna dziura potrafi nieco ograniczyć tę wielką burzę, którą sama wcześniej rozpętuje. Gdy bowiem odpychany od niej gaz ochładza się, czarna dziura ogrzewa pozostały gaz położony wokół całej galaktyki - tak, że położona dalej gazowa otoczka nie może sama z siebie schładzać się nadal zbyt szybko. To zatem pewien złożony, samoregulujący się mechanizm, podobny nieco do termostatów używanych do ogrzewania i chłodzenia powietrza w domach. „Kałuże” skroplonego gazu wokół czarnych dziur dostarczają im paliwo do dalszej produkcji dżetów, ale jednocześnie, gdy schłodzone zostaną za duże ilości gazu, dżety stają się coraz silniejsze i zaczynają bardziej podgrzewać ten sam gaz. A gdy podgrzeją go za mocno, redukują tym samym dopływ energii do samych siebie, więc w efekcie znowu słabną.

To odkrycie wyjaśnia być może zagadkę związaną z tym, że wiele z współcześnie obserwowanych galaktyk eliptycznych nie ma wyższego tempa formowania się gwiazd, jakie mogłoby wynikać z istnienia ich rozległych otoczek gazowanych. Dlaczego cały ten gaz nie chce się zamieniać w gwiazdy? Teoretyczne modele ewolucji galaktyk przewidują przecież, że współczesne galaktyki bardziej masywne niż Droga Mleczna powinny aż kipieć od nowo narodzonych gwiazd. Jednak obserwacje wcale nie zgadzają się z tymi przewidywaniami.

Teraz okazuje się, że może być to efekt zahamowanego rozwoju takich galaktyk, czyli tego, że samoregulujący się cykl ogrzewania i chłodzenia gazu utrzymuje narodzin gwiazd w ryzach. Lekka mżawka schłodzonego gazu zapewnia wystarczającą ilość paliwa dla dżetów, by mogły one podgrzać resztę gazu w otoczce. Z badań tych wynika jednak jeszcze ciekawszy wniosek - galaktyki najwyraźniej nie potrzebują żadnych niezwykłych i katastrofalnych wydarzeń, takich jak zderzenia z innymi galaktykami, by mogły się w nic okresowo pojawiać prawdziwe „burze gwiazdotwórcze”. To wszystko dzieje się w obrębie pojedynczego układu galaktyki, bez ingerencji z zewnątrz.

Cały artykuł: Far-ultraviolet morphology of star-forming filaments in cool core brightest cluster galaxies.

Liczba odsłon: 1229


Grafika ukazująca supermasywną czarną dziurę w centrum galaktyki. Czarna dziura oddziałuje z gazem w halo (otoczce) galaktyki, powodując występowanie samoregulującego się cyklu – dżety wydobywające się z centrum galaktyki podgrzewają tę otoczkę gazową, regulując tempo, w jakim gaz schładza się i opada na galaktykę, formując tam nowe gwiazdy. Źródło: NASA/ESA/P. Jeffries (STScI)