Астрономы впервые увидели, как сверхмассивная черная дыра остановила звездообразование в своей галактике

Для формирования звездам нужны скопления плотного и холодного газа. В молодых галактиках их достаточно для поддержания звездообразования на протяжении долгого времени. Тем не менее во многих галактиках ранней Вселенной этот процесс уже почти остановился. У астрономов были уверенные предположения, почему так происходит. Но лишь сейчас они, наконец, нашли прямое подтверждение своим гипотезам.

Процесс торможения звездообразования — важный аспект эволюции галактик, поэтому ученые так хотят в нем разобраться. Если верить результатам космологических компьютерных моделей, во всем виноваты активные ядра галактик. Эти поглощающие материю сверхмассивные черные дыры теоретически способны своей активностью «выдувать» холодный газ из окружающего их межзвездного пространства.

Дело в том, что когда черная дыра поглощает много вещества, вокруг нее образуется аккреционный диск, в котором материя крутится с огромной скоростью. От трения частиц друг о друга вещество в диске разогревается до огромных температур и начинает излучать, сильно нагревая газ в областях, прилегающих к такому активному центру галактики. От этого излучения межзвездный газ начинает разлетаться.

Благодаря масштабным обзорам галактик астрономы начали находить в них признаки движения газа. Проблема в том, что наблюдали в основном ионизированный, то есть нагретый, газ. Расчеты показали, что такое «выдувание» вряд ли способно перебить звездообразование. Только в случае крайне активных ядер галактик ученые видели связь с торможением рождения новых звезд. Тем временем в молодой Вселенной существует множество галактик с затухшим звездообразованием.

В новой работе, опубликованной в журнале Nature, астрономы описали галактику, в которой обычное активное галактическое ядро выдувает достаточно холодного и горячего газа для торможения формирования звезд. Тем самым они впервые напрямую подтвердили гипотезы и теоретические расчеты.

Наблюдения не только за ионизированным, но и за холодным межзвездным газом стали возможны благодаря космическому телескопу «Джеймс Уэбб». В рамках обзора Blue Jay телескоп провел наблюдения более чем за 150 галактиками ранней Вселенной с красным смещением от 1,7 до 3,5. Значит, свет от этих галактик шел до нас от 9,86 до 11,9 миллиарда лет. Из них 17 объектов оказались «затухшими», в их числе — галактика COSMOS-11142.

Помимо множества линий излучения теплого ионизированного газа, «Джеймс Уэбб» засек три линии поглощения: ионизированного кальция (Ca II K и Ca II H) и натрия (Na I D). Поглощение на этих линиях указывает на присутствие холодного газа. Анализ выявил синее смещение как некоторых линий излучения, так и поглощения, то есть часть газа движется не от нас, а к нам — явный признак «выдувания». Если объединить все данные наблюдений, получится «раздувающийся пузырь», потому движение газа есть и «за», и «перед» центром галактики.

Исходя из соотношения элементов и скорости «раздувания» ионизированного газа, ученые сделали вывод, что причиной этого движения может быть только активное галактическое ядро. «Выдувание» холодного газа идет медленнее, зато объемы поражают. Если в ионизированном газе галактика теряет менее одной солнечной массы в земной год, то холодном газе — 35 солнечных масс в земной год. Получается, в общей массе потерь ионизированный газ составляет лишь малую часть.

Вырисовывается такой сценарий: пик звездообразования в галактике COSMOS-11142 закончился за 300 миллионов лет до того этапа, который мы сейчас наблюдаем. К моменту наблюдений скорость звездообразования в ней упала на два порядка, то есть в сотни раз. Сейчас галактика формирует от одной до 10 солнечных масс в год. Авторы исследования предположили, что COSMOS-11142 находится в середине процесса «торможения».

Главный вывод новой работы состоит в другом. Галактика COSMOS-11142 не попала в обзоры в рентгеновском и радиодиапазоне. Все потому, что они настроены искать самые яркие активные галактические ядра и звездообразующие галактики.

Получается, мощное «выдувание» холодного газа может происходить в большинстве массивных галактик молодой Вселенной, просто существующим рентгеновским и радиоинструментам не хватает чувствительности, чтобы его засечь. К счастью, по оценке Ребекки Девис, одного из автора исследования, раньше астрономы «видели» лишь один процент «выдуваемого» газа, а с помощью «Джеймса Уэбба» теперь можно разглядеть и проанализировать гораздо больше.