«Джеймс Вебб» вперше показав, як надмасивні чорні діри отримують матерію

Майже в цен­трі кожної вели­кої гала­кти­ки зна­хо­ди­ться надма­сив­на чорна діра, маса якої може пере­ви­щу­ва­ти масу Сонця в міль­йо­ни або навіть мільяр­ди разів. Коли така чорна діра актив­но погли­нає речо­ви­ну, вона пере­тво­рю­є­ться на одне з най­енер­гій­ні­ших явищ у Всесвіті — актив­не ядро гала­кти­ки (AGN). При цьому з її око­лиць вири­ва­ю­ться поту­жні реля­ти­віст­ські джети, які нагрі­ва­ють нав­ко­ли­шній газ і зда­тні впли­ва­ти на швид­кість наро­дже­н­ня нових зірок.

Проте деся­ти­лі­т­тя­ми астро­фі­зи­ків тур­бу­ва­ло про­сте запи­та­н­ня. Якщо джети постій­но нагрі­ва­ють газ нав­ко­ло гала­кти­чно­го ядра, чому чорна діра не при­пи­няє отри­му­ва­ти нову речо­ви­ну? Здавалося, вона сама пере­кри­ває собі доступ до «паль­но­го».

Нові спо­сте­ре­же­н­ня космі­чно­го теле­ско­па James Webb Space Telescope (JWST) дозво­ли­ли впер­ше поба­чи­ти меха­нізм, який вирі­шує цей пара­докс. Результати дослі­дже­н­ня опу­блі­ко­ва­ні в The Astrophysical Journal Letters.

Астрофізики дослідили одну з найближчих активних галактик

Об’єктом спо­сте­ре­жень стала гігант­ська елі­пти­чна гала­кти­ка NGC 4696, що роз­та­шо­ва­на при­бли­зно за 145 міль­йо­нів сві­тло­вих років від Землі в ску­пчен­ні Центавра.

Ця гала­кти­ка давно при­вер­тає увагу астро­но­мів, адже нав­ко­ло її цен­траль­ної чор­ної діри про­стя­га­ю­ться вели­че­зні нитко­по­ді­бні стру­кту­ри холо­дно­го газу — так звані філа­мен­ти. Саме вони вва­жа­ли­ся голов­ни­ми кан­ди­да­та­ми на роль «транс­порт­ної систе­ми», яка достав­ляє мате­рію до ядра.

Раніше це була лише тео­ре­ти­чна модель. Тепер її вда­ло­ся пере­ві­ри­ти безпосередньо.

«Джеймс Вебб» зазирнув майже до самого горизонту подій

Під час майже восьми­го­дин­них спо­сте­ре­жень спе­ктро­граф NIRSpec побу­ду­вав висо­ко­то­чну карту руху газу побли­зу цен­траль­ної чор­ної діри.

Роздільна зда­тність вияви­ла­ся настіль­ки висо­кою, що дослі­дни­ки змо­гли роз­рі­зня­ти стру­кту­ри роз­мі­ром близь­ко 30 сві­тло­вих років усе­ре­ди­ні гала­кти­ки, яка має діа­метр у сотні тисяч сві­тло­вих років.

Саме ці дані дали від­по­відь на пита­н­ня, як газ долає остан­ню ділян­ку шляху до чор­ної діри.

Загадкова S‑подібна структура виявилася акреційним диском

Ще теле­скоп Hubble свого часу зафі­ксу­вав біля ядра див­ний S‑подібний зави­ток. Його при­ро­да зали­ша­ла­ся незрозумілою.

Спостереження JWST пока­за­ли, що ця стру­кту­ра є вели­ким акре­цій­ним диском, який без­по­се­ре­дньо живить надма­сив­ну чорну діру.

Основні хара­кте­ри­сти­ки диска вражають:

1. Діаметр ста­но­вить майже 800 сві­тло­вих років.
2. Газ обер­та­є­ться зі швид­кі­стю до 600 км/​с.
3. Один із зов­ні­шніх філа­мен­тів без­по­се­ре­дньо пере­хо­дить у цей диск, утво­рю­ю­чи єдину систе­му транс­пор­ту­ва­н­ня речовини.

Фактично астро­но­ми впер­ше поба­чи­ли без­пе­рерв­ний шлях газу — від між­га­ла­кти­чно­го сере­до­ви­ща до обла­сті, де він почи­нає пада­ти на чорну діру.

Як чорна діра сама підтримує власне «живлення»

Отримані дані добре поясню­ють меха­нізм, який астро­фі­зи­ки нази­ва­ють циклом само­ре­гу­ля­ції AGN.

Процес вигля­дає при­бли­зно так:

1. Чорна діра погли­нає речо­ви­ну й запу­скає поту­жні джети.
2. Джети нагрі­ва­ють нав­ко­ли­шній між­га­ла­кти­чний газ.
3. Згодом части­на цього газу охолоджується.
4. Він кон­ден­су­є­ться у довгі холо­дні філаменти.
5. Магнітні поля допо­ма­га­ють газу втра­ча­ти куто­вий момент і спря­мо­ву­ють його всередину.
6. Газ нако­пи­чу­є­ться в акре­цій­но­му диску.
7. Акреційний диск знову почи­нає живи­ти чорну діру.

Отже, систе­ма під­три­мує себе майже авто­ма­ти­чно про­тя­гом міль­йо­нів років.

Комп’ютерні моделі підтвердили спостереження

Після ана­лі­зу даних коман­да вико­на­ла чисель­не моделювання.

Симуляції майже пов­ні­стю від­тво­ри­ли кар­ти­ну, яку поба­чив JWST: холо­дний газ дій­сно фор­му­є­ться у вузь­кі нитки, посту­по­во втра­чає куто­вий момент і потра­пляє до акре­цій­но­го диска.

Такий збіг між моде­ля­ми та реаль­ни­ми спо­сте­ре­же­н­ня­ми зна­чно поси­лює впев­не­ність у пра­виль­но­сті запро­по­но­ва­но­го механізму.

Це може бути універсальний процес у Всесвіті

NGC 4696 — не єди­ний приклад.

Раніше схожі нитко­по­ді­бні стру­кту­ри вже зна­хо­ди­ли в гала­кти­ці NGC 1275 у ску­пчен­ні Персея. Нове дослі­дже­н­ня свід­чить, що одна й та сама схема може пра­цю­ва­ти в бага­тьох цен­траль­них гала­кти­ках скупчень.

Іншими сло­ва­ми, чорні діри не про­сто випад­ко­во погли­на­ють нав­ко­ли­шню речо­ви­ну. Вони можуть під­три­му­ва­ти дов­го­три­ва­лий цикл, у якому вла­сні джети зре­штою ство­рю­ють умови для ново­го над­хо­дже­н­ня газу.

Чому це відкриття важливе

Надмасивні чорні діри визна­ча­ють ево­лю­цію цілих гала­ктик. Від того, наскіль­ки актив­но вони погли­на­ють речо­ви­ну, зале­жить інтен­сив­ність утво­ре­н­ня нових зірок, тем­пе­ра­ту­ра між­га­ла­кти­чно­го газу та навіть май­бу­тній вигляд галактики.

Нові спо­сте­ре­же­н­ня «Джеймса Вебба» впер­ше пока­за­ли цей про­цес майже без­по­се­ре­дньо. Якщо подаль­ші дослі­дже­н­ня під­твер­дять уні­вер­саль­ність зна­йде­но­го меха­ні­зму, астро­но­ми отри­ма­ють одну з най­ва­жли­ві­ших від­по­від­ей на пита­н­ня, як надма­сив­ні чорні діри можуть зали­ша­ти­ся актив­ни­ми про­тя­гом сотень міль­йо­нів і навіть мільяр­дів років.