Використовуючи нову комп'ютерну модель, яка детально описує поведінку типових галактик (їх народження і злиття), німецькі та американські астрофізики зуміли показати, що активний ріст центральних надмасивних чорних дір спричиняє процеси вибухового вивільнення енергії, які не тільки керують розвитком галактик, але і накладають істотні обмеження на подальше зростання самої центральної чорної діри. За допомогою цієї моделі вдалося пояснити багато з давно спостережуваних астрономами явищ і досягти більш глибокого розуміння процесів формування галактик і ролі чорних дір у всій історії нашого Всесвіту. Робота опублікована в журналі Nature.
"В останні роки вчені почали підозрювати, що повна маса зірок у сучасних галактиках однозначно відповідає розмірам галактичної чорної діри, проте до цих пір ніхто не міг пояснити ці спостережувані співвідношення, - заявляє Тізіана Ді Маттео (Tiziana Di Matteo) з Університету Carnegie Mellon, що проводить ці дослідження спільно з колегами з німецького астрофізичного інституту імені Макса Планка (Max Planck Institut fur Astrophysik) і Гарвардського університету (Harvard University). - Використання нашого моделювання дало нам можливість застосувати принципово новий спосіб для вирішення цього завдання".
Коли перші галактики з'явилися в ранньому Всесвіті, вони, очевидно, у своїх центрах містили лише невеликі чорні діри. Згідно зі стандартним сценарієм формування галактик, вони росли, об'єднуючись одна з одною під дією гравітаційних сил. В результаті подібних процесів чорні діри в центрі отриманої нової галактики більшого розміру теж зливаються разом і швидко ростуть, досягаючи маси, яка у мільярди разів перевищує масу Сонця; що дозволяє їм називатися надмасивними чорними дірами. Під час злиття з доступного газу також формується велика кількість нових зірок. Сьогоднішні галактики і їхні центральні чорні діри якраз і являють собою результат цілого ряду подібних подій.
Ді Маттео і її колеги моделювали процес зіткнення виниклих раніше на зорі нашого всесвіту галактик і з'ясували, що коли дві такі галактики об'єднуються, то їх надмасивні чорні діри зливаються, спочатку активно використовуючи для свого росту навколишній газ. Проте цьому бенкету швидко приходить кінець. Оскільки надмасивна чорна діра яка отримується в результаті продовжує поглинати газ, вона швидко переходить у новий стан, що змушує матерію біля неї бурхливо випромінювати енергію в усіх діапазонах, тобто ставати квазаром. Квазар "видуває" навколишній газ з найближчих околиць надмасивної чорної діри до периферії галактики (астрономи констатують наявність найпотужніших зоряних вітрів). Без довколишнього газу надмасивна чорна діра вже не може так інтенсивно рости і стає недіючою, тобто квазар "вимикається" (це дозволяє пояснити як стислість фази квазара в порівнянні з усім життям галактики, так і те, чому кількість активних квазарів в ранньому Всесвіті значно перевищувала їхнє нинішнє число). Навіть найбідьш масивні чорні діри містять в собі не більше 1% маси галактики. У той же час без газу в центральній частині не можуть формуватися і зірки.
У ході моделювання з'ясувалося, що чорні діри в маленьких галактиках обмежують свій ріст більш ефективно, ніж в у великих галактиках. Маленька галактика містить меншу кількість газу, тому навіть невеликої кількості енергії від чорної діри вистачає на те, щоб швидко здути цей газ. У великій галактиці чорна діра може досягти більшого розміру перш, ніж навколишній її газ буде активований до такої міри, щоб перешкоджати поглинанню чергових порцій матерії. В результаті, володіючи меншими запасами газу, маленькі галактики виробляють менше зірок, а в укрупнених більш давніх галактиках і газу, і областей зореутворення більше. Ці результати відповідають спостереженням співвідношення між розмірами чорних дір і повною масою зірок у галактиках.
Джерела:
- Simulations Show How Growing Black Holes Regulate Galaxy Formation - Max Planck Society - Press Release
- Black Hole Growth Self-Limiting, Simulation Shows - Space.com
