Міжнародна група науковців під керівництвом Такуми Ізумі (Takuma Izumi), доцента Національної астрономічної обсерваторії Японії, здобула важливий результат, спостерігаючи за активним ядром галактики в сузір’ї Циркуля із надзвичайно високою роздільною здатністю (приблизно 1 світловий рік) за допомогою Великої міліметрової/субміліметрової антени (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA).
Результати спостережень оприлюднено в статті під назвою «Supermassive black hole feeding and feedback observed on sub-parsec scales» («Живлення надмасивної чорної діри та зворотний зв’язок, що спостерігаються на субпарсекових масштабах»), яку опубліковано в Science.
Це перше в історії кількісне вимірювання потоків газу та їхніх структур близько, аж до масштабу кількох світлових років, до надмасивної чорної діри. Причому всіх фаз газу: плазми, атомів та молекул. Наукова група чітко зафіксувала потік акреції, що прямує до надмасивної чорної діри, і виявила — цей потік акреції спричиняє фізичний механізм, відомий як «гравітаційна нестабільність».
Крім того, також виявлено, що значну частину газу з потоку чорна діра не споживає. Більша частина газу зазнає викиду з околиць чорної діри у вигляді потоків атомів або молекул і повертається назад до газового диска. Далі він знову падає в напрямку чорної діри: цей процес рециркуляції газу схожий на водяний фонтан. Ці відкриття — вирішальний крок до повного розуміння механізмів росту надмасивних чорних дір.
У центрах багатьох масивних галактик існують надмасивні чорні діри, маса яких у мільйон разів перевищує масу Сонця. Як утворюються ці надмасивні чорні діри? Одним із важливих механізмів зростання, запропонованих попередніми дослідженнями, є падіння (акреція) газу на чорну діру. Це стосується процесу, під час якого газ в галактиці якимось чином падає до центральної чорної діри.
Газ, який накопичується дуже близько до надмасивних чорних дір, прискорюється на високих швидкостях через силу тяжіння чорної діри. Внаслідок сильного тертя між частинками газу він нагрівається до температури в кілька мільйонів градусів, що спричиняє появу сильного електромагнітного випромінювання. Це явище відоме як активне ядро галактики (active galactic nucleus, AGN). Його яскравість може іноді перевищувати сумарне світло всіх зір у галактиці. Цікаво, що згідно з сучасними уявленнями, величезна енергія активного ядра галактики видуває частину газу, який падає в бік чорної діри. Це приводить до появи відтоку газу.
Ілюстрація розподілу міжзоряного середовища в активному ядрі галактики за результатами спостережень. Молекулярний газ високої щільності тече від галактики до чорної діри вздовж площини диска. Матеріал, накопичений навколо чорної діри, генерує величезну кількість енергії, внаслідок чого молекулярний газ руйнується і перетворюється в атомарний та плазму. Більшість таких газів зазнають викиду через вихідні потоки з ядра (зокрема вихідні потоки плазми, які переважно відбуваються в напрямку, перпендикулярному до диска, і атомні або молекулярні вихідні потоки, які рухаються головно по діагоналі), але більшість цих потоків повертаються назад до диска, діючи як газовий фонтан. Авторські права на зображення: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Takuma Izumi та ін. Фото з сайту https://phys.org.
Як теоретичні, так і спостережні дослідження дали докладне уявлення про механізми акреції газу від масштабу 100 000 світлових років до масштабу кількох сотень світлових років у центрі галактик. Однак акреція газу в набагато меншій ділянці, особливо в межах кількох десятків світлових років від центра галактики, досі незрозуміла через її надзвичайно обмежений просторовий масштаб.
Наприклад, щоб кількісно зрозуміти зростання чорних дір, треба виміряти швидкість акреційного потоку (кількість газу, що надходить) і визначити кількість і типи газів (плазма, атомний газ, молекулярний газ), які у вигляді відтоків зазнають викиду в такому невеликому масштабі. На жаль, тут досі не досягнуто значного прогресу.
У цьому дослідженні науковій групі спочатку вперше вдалося зафіксувати потік акреції, що прямує до надмасивної чорної діри в газовому диску високої щільності, який простягається на кілька світлових років від центра галактики. Виявлення такого потоку тривалий час було складним завданням через малий масштаб регіону та складні рухи газу поблизу галактичного центра.
Однак у цьому разі дослідники точно визначила місце, де молекулярний газ переднього плану поглинав випромінювання від яскравого активного ядра галактики на його тлі. Ця ідентифікація стала можливою завдяки спостереженням високої роздільної здатності, виконаним за допомогою ALMA. Докладний аналіз показав, що речовина, яка поглинає випромінювання, рухається у напрямку від нас. Оскільки речовина, яка поглинає випромінювання, завжди існує між активним ядром галактики та спостерігачем, це вказує на те, що науковці успішно зафіксувала потік акреції до активного ядра галактики.
Крім того, наукова група також з’ясувала фізичний механізм, що спричиняє появу такого потоку. Диск газу, який спостерігали дослідники, мав таку значну силу тяжіння, що її не міг підтримувати тиск, зважаючи на рух диска.
Коли виникає така ситуація, газовий диск руйнується під власною вагою, утворюючи складні структури та стаючи нездатним підтримувати стабільний рух у галактичному центрі. Як наслідок, газ швидко падає в бік центральної чорної діри. Тепер ALMA дала змогу чітко виявити це фізичне явище, відоме як «гравітаційна нестабільність» у центрі галактики.
Це дослідження також значно просунуло кількісне розуміння газових потоків навколо активного ядра галактики. З щільності спостережуваного газу та швидкості акреційного потоку можна розрахувати швидкість акреції, з якою газ надходить до чорної діри. Дивно, але ця швидкість виявилася в 30 разів більшою, ніж фактично потрібна для підтримки активності цього ядра галактики.
Іншими словами, більша частина акреційного потоку в масштабі 1 світлового року навколо галактичного центра не йшла на зростання чорної діри. Отже, куди подівся надлишок газу? Ця таємниця також була розгадана в дослідженні — високочутливі спостереження газів у всіх фазах (молекулярний, атомарний, плазма середньої густини; відповідають червоним, синім і рожевим ділянкам на першому зображенні вище) за допомогою ALMA виявили витікання з активного ядро галактики.
За допомогою кількісного аналізу було виявлено, що більша частина речовини, яка тече до чорної діри, зазнає викидів у вигляді потоків атомарного або молекулярного газу. Однак через повільні швидкості вони не змогли вирватися з-під гравітаційного потенціалу чорної діри й зрештою повернулися на газовий диск. Там вони повернулися знову в акреційний потік до чорної діри, схожий на фонтан, таким чином завершуючи захопливий процес рециркуляції газу в центрі галактики (друге зображення).
Щодо результатів дослідження Ізумі сказав таке: «Виявлення акреційних потоків і відтоків у регіоні всього в кілька світлових років навколо надмасивної чорної діри, що активно зростає, особливо в газі, який перебуває у різних фазах, і навіть розшифровка механізму акреції є справді монументальними досягненнями в історії дослідження надмасивних чорних дір».
Дивлячись у майбутнє, він зауважив: «Щоб всебічно зрозуміти зростання надмасивних чорних дір у космічній історії, нам потрібно досліджувати різні типи надмасивних чорних дір, які розташовані далі від нас. Для цього потрібна висока роздільна здатність і висока чутливість. спостережень, і ми покладаємо великі сподівання на подальше використання ALMA, а також на майбутні великі радіоінтерферометри наступного покоління».
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
