Астрономы, используя Very Long Baseline Array (VLBA) и Very Large Array (VLA), застали сверхмассивную чёрную дыру в момент пробуждения после долгого сна. Это дало беспрецедентную возможность заглянуть в самые ранние стадии активности чёрной дыры. Открытие проливает новый свет на то, как эти космические гиганты начинают влиять на своё окружение, и может помочь решить давние загадки эволюции галактик.
Исследование, проведённое под руководством Франческо Убертози из Болонского университета и Национального института астрофизики в Италии (INAF/IRA), было сосредоточено на скоплении галактик CHIPS 1911+4455, расположенном примерно в 6 миллиардах световых лет от Земли. Особенность этой системы заключается в том, что её центральная сверхмассивная чёрная дыра только недавно «включилась» — начала активно поглощать материю и выбрасывать джеты всего около тысячи лет назад.
«Это как наблюдать за пробуждением спящего гиганта», — сказал Убертози, ведущий автор исследования. «Мы видим эту сверхмассивную чёрную дыру в самом начале её активной фазы, до того как она успела значительно изменить своё окружение. Это невероятно редкая возможность изучить картину «до» обратной связи чёрной дыры».
Используя исключительное разрешение VLBA, способное различать детали, эквивалентные чтению газеты в Лос-Анджелесе из Нью-Йорка, команда обнаружила, что джеты чёрной дыры простираются всего примерно на 30 парсеков (примерно 100 световых лет) от центральной чёрной дыры. Это может показаться большим, но в космических масштабах это младенческие джеты. Для сравнения, джеты зрелых чёрных дыр в подобных системах могут простираться на десятки тысяч парсеков.
Наблюдения VLBA выявили компактный радиоисточник с симметричными двусторонними джетами, исходящими из ядра галактики. Радиоспектр демонстрирует характерную «пикообразную» форму, которая идентифицирует это как очень молодую радиогалактику, возраст которой составляет всего около 1000 лет — космический миг.
«Джеты настолько молоды и малы, что у них не было времени, чтобы оттолкнуть окружающий горячий газ или нарушить процесс охлаждения, происходящий в ядре скопления», — объяснила соавтор Мириам Гитти, также из Болонского университета и INAF/IRA. «Это даёт нам уникальную лабораторию для изучения того, как начинается обратная связь чёрной дыры».
Большинство исследований сверхмассивных чёрных дыр в скоплениях галактик сосредоточено на зрелых системах, где чёрная дыра была активна в течение миллионов лет. CHIPS 1911+4455 представляет то, что исследователи называют «кластером до обратной связи» — системой, где они могут изучить условия, существующие до того, как чёрная дыра существенно повлияет на своё окружение.
Предыдущее исследование показало, что горячий газ в ядре скопления имеет очень низкую энтропию и короткое время охлаждения. «Мы думаем, что то, что мы видим, является доказательством того, как сверхмассивные чёрные дыры запускаются в первую очередь», — сказал соавтор Паскуале Теми из Исследовательского центра NASA Ames. «Газ в этом ядре скопления охлаждается очень эффективно, потенциально обеспечивая топливо, которое пробудило эту спящую чёрную дыру».
В то время как центральная чёрная дыра только начинает свою активность, окружающая её галактика уже является исключительной фабрикой звёзд. Анализ команды согласуется с более ранними исследованиями, предполагающими, что галактика формирует звёзды со скоростью 140–190 солнечных масс в год — более чем в 100 раз быстрее, чем наш собственный Млечный Путь. Это делает её одной из наиболее быстро формирующих звёзды центральных галактик скоплений, известных на сегодняшний день.
Интересно, что радио наблюдения с помощью VLA выявили протяжённые «усики» радиоизлучения, которые точно совпадают с областями звездообразования, видимыми на изображениях космического телескопа Хаббла. Усики, видимые на изображениях VLA, вероятно, питаются синхротронным излучением от сверхновых и массивных звёзд, что является независимым подтверждением высокой скорости звездообразования в галактике.
Открытие имеет важное значение для понимания того, как сверхмассивные чёрные дыры и их галактики-хозяева развиваются совместно. Современные теории предполагают, что обратная связь чёрной дыры имеет решающее значение для регулирования звездообразования в массивных галактиках, но большинство наблюдений проводилось в системах, где этот процесс уже созрел.
«CHIPS 1911+4455 может представлять собой иной вариант того, как начинается обратная связь чёрной дыры», — объяснил Убертози. «В этом случае не только чёрная дыра долгое время была в состоянии покоя, что запускает охлаждение — кластер также демонстрирует признаки недавнего слияния, которое могло усилить охлаждение и помочь пробудить чёрную дыру».
Исследование потребовало объединения наблюдений с нескольких объектов NRAO, чтобы достичь необходимой чувствительности и разрешения для обнаружения и характеристики этого молодого радиоисточника. VLBA предоставила сверхвысокое разрешение, необходимое для измерения крошечных джетов, в то время как VLA обеспечила чувствительность, необходимую для обнаружения слабого расширенного излучения от звездообразования.
«Подобные открытия демонстрируют мощь наличия нескольких дополнительных радиотелескопов», — сказал соавтор Марчелло Джиролетти из Итальянского национального института астрофизики (INAF/IRA). «VLBA даёт нам увеличительное стекло, чтобы увидеть джеты в масштабе парсеков, в то время как VLA обеспечивает широкий обзор, чтобы понять более широкий контекст».
Наблюдения охватывали несколько частотных диапазонов от 320 МГц до 5 ГГц, что позволило команде построить подробные радиоспектры и подтвердить молодой возраст радиоисточника.
Команда планирует продолжить мониторинг CHIPS 1911+4455, чтобы наблюдать, как эта молодая чёрная дыра будет развиваться с течением времени. Они также надеются идентифицировать больше подобных систем для создания более крупной выборки кластеров до обратной связи.
«Это открытие открывает новый способ изучения обратной связи чёрной дыры», — сказал Убертози. «Вместо того чтобы просто смотреть на конечный результат, мы теперь можем изучать процесс по мере его развития. Это как иметь машину времени, чтобы увидеть, как эти космические гиганты впервые начинают формировать своё окружение».
Статья была опубликована в The Astrophysical Journal. Исследование представляет собой важный шаг к пониманию одного из наиболее фундаментальных процессов в эволюции галактик — того, как сверхмассивные чёрные дыры регулируют звездообразование и влияют на развитие крупнейших структур во Вселенной.
Предоставлено:
National Radio Astronomy Observatory