Галактики могут состоять из сотен миллиардов звёзд, но каждая из них формируется из холодного плотного газа. Вокруг крупных галактик, включая Млечный Путь, находится огромный резервуар такого вещества — так называемая окологалактическая среда (circumgalactic medium, CGM).
Эта среда простирается примерно в 10–20 раз дальше видимой части галактики. Со временем часть газа остывает, устремляется внутрь, собирается в плотные облака и в итоге превращается в новые звёзды. Поскольку звёзды создают условия для появления планет и жизни, окологалактическая среда играет важную роль в долгосрочной эволюции галактик. Однако астрономы долго не могли понять, почему при таком запасе потенциального звёздообразующего материала галактики не производят гораздо больше звёзд. Что-то мешает большей части газа остывать и падать внутрь.
Новое исследование под руководством астрономов Санчайиты Бортхакур из Университета штата Аризона (ASU) и Намраты Рой, ныне работающей в Индийском институте фундаментальных исследований (RRI), предлагает одно из возможных объяснений. Учёные обнаружили, что узкие джеты из чрезвычайно горячей плазмы, которые запускают сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик, способны воздействовать на газ далеко за пределами видимой галактики. Эти потоки могут возмущать резервуар вещества, от которого зависит будущий рост галактики, влияя на то, продолжит ли она формировать звёзды. Результаты опубликованы в журнале Astrophysical Journal Letters.
«Это прорывной результат, который решает давнюю загадку о том, как чёрные дыры влияют на галактики, их звёзды и жизнь в том виде, в каком мы её знаем! — заявила Бортхакур, доцент Школы исследований Земли и космоса ASU. — Эта работа открывает новое направление для дальнейшего изучения тонкостей связи между сверхмассивными чёрными дырами, находящимися за триллионы миль от нас, и тем, как мы появились здесь».
Когда чёрная дыра активно поглощает газ, она высвобождает колоссальные объёмы энергии и нагревает окружающее вещество. Несмотря на свою мощь, такие чёрные дыры крошечны по сравнению с галактиками-хозяевами. Сверхмассивная чёрная дыра по масштабу примерно сопоставима с нашей Солнечной системой, тогда как окружающая её галактика может содержать около 100 миллиардов таких систем. «Удивительный вопрос в том, как нечто столь малое может энергетически влиять на нечто столь огромное?» — отметила Рой, доцент RRI и бывший постдокторант программы Exploration Prize в ASU. Исследователи изучили активные чёрные дыры, создающие мощные джеты — узкие потоки горячей быстро движущейся плазмы, которые простираются далеко за видимые границы галактик. Команда искала признаки того, что джеты меняют состояние ионизации газа в окружающей окологалактической среде, в частности слабое свечение ионизированного водорода.
Этот сигнал слишком слаб, чтобы различить его вокруг одной галактики. Чтобы преодолеть ограничение, учёные объединили наблюдения сотен галактик с активными джетами, использовав данные обзора Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) вместе с измерениями радиоджетов из LOFAR Two-meter Sky Survey (LoTSS). Складывая измерения вдоль осей джетов, команда искала H-alpha — характерную сигнатуру ионизированного водородного газа. Рой, Бортхакур и коллеги обнаружили, что при усреднении наблюдений со всех направлений вокруг галактик сигнал оставался слабым. Однако вдоль радиоджетов сигнал H-alpha становился значительно сильнее и легче обнаруживался. Это указывает на то, что газ светится не одинаково во все стороны: наиболее сильное излучение появляется вдоль пути, пройденного джетом. Джет ведёт себя не как лампа, освещающая всё вокруг, а скорее как сфокусированный луч, заставляющий газ светиться вдоль своей траектории. Учёные также нашли две области, где свечение ионизированного водорода было особенно ярким: одна расположена сравнительно близко к галактике, где джет впервые сталкивается с окологалактической средой, другая — гораздо дальше, у внешнего края этой среды, где джет, по-видимому, отдаёт большую часть своей энергии.
«Больше всего меня впечатляет масштаб этой связи, — сказала Рой. — Чёрная дыра невероятно мала по сравнению с галактикой, но её влияние может достигать сотен тысяч световых лет, простираясь далеко во внешние области галактики. Джет несёт энергию наружу, и газ светится вдоль его пути». В качестве проверки команда также изучила след более холодного газа по абсорбционной сигнатуре магния. В отличие от направленного свечения H-alpha, магний был распределён более равномерно и не показывал связи с направлением джета. Это означает, что холодный газ, возможно, уже существует как резервуар, равномерно окружающий галактику со всех сторон, тогда как джет разогревает, ионизирует и подсвечивает газ вдоль собственного пути. Полученные результаты дают одни из самых чётких на сегодня свидетельств того, что сверхмассивные чёрные дыры могут влиять на галактики далеко за пределами их центральных областей. Нагревая, перемешивая и разрушая газ по всей окологалактической среде, джеты чёрных дыр затрудняют его охлаждение и падение обратно к галактике. Без притока холодного газа у галактики остаётся меньше топлива для создания новых звёзд. Так джеты могут тормозить рост галактики, со временем подталкивая её к более спокойному состоянию с гораздо более низким уровнем звёздообразования.
Прежние исследования искали похожие сигналы, но не находили их. Новые результаты объясняют одну из причин: сигнатура H-alpha становится заметной только тогда, когда астрономы изучают газ именно вдоль направления джетов. Если бы учёные предполагали, что окологалактическая среда ведёт себя одинаково во всех направлениях, этот эффект легко остался бы скрытым. Открытие также демонстрирует силу объединения крупных оптических и радионаблюдений, таких как обзоры DESI и LoTSS: складывая множество по отдельности слабых сигналов, астрономы могут выявлять закономерности, которые иначе увидеть невозможно. Теперь эти данные дают астрономам и теоретикам ещё один способ проверять, как джеты чёрных дыр взаимодействуют с галактиками и влияют на их эволюцию.