Den 12. maj på ni samtidige pressekonferencer rundt om i verden, astrofysikere afslørede det første billede af det sorte hul i hjertet af Mælkevejen. Til at begynde med, selvom det var fantastisk, syntes det møjsommeligt fremstillede billede af lysringen omkring vores galakses centrale mørkehul blot at bevise, hvad eksperter allerede havde forventet: Mælkevejens supermassive sorte hul eksisterer, det snurrer, og det adlyder Albert Einsteins generel relativitetsteori.
Og alligevel, ved nærmere eftersyn, hænger tingene ikke helt sammen.
Ud fra lysstyrken af bagel af lys, har forskere estimeret hvor hurtigt stof falder på Skytten A* - navnet givet til Mælkevejens centrale sorte hul. Svaret er: slet ikke hurtigt. "Den er tilstoppet til et lille dryp," sagde Priya Natarajan, en kosmolog ved Yale University, der sammenligner galaksen med et ødelagt brusehoved. På en eller anden måde er det kun en tusindedel af sagen strømmer ind i Mælkevejen fra det omgivende intergalaktiske medium gør det hele vejen ned og ind i hullet. "Det afslører et stort problem," sagde Natarajan. "Hvor er denne gas på vej hen? Hvad sker der med flowet? Det er meget tydeligt, at vores forståelse af sorte huls vækst er mistænkelig."
I løbet af det sidste kvarte århundrede er astrofysikere kommet til at erkende, hvilket tæt, dynamisk forhold der eksisterer mellem mange galakser og de sorte huller i deres centre. "Der har været en virkelig stor overgang på området," siger Ramesh Narayan, en teoretisk astrofysiker ved Harvard University. "Overraskelsen var, at sorte huller er vigtige som formgivere og kontrollerer, hvordan galakser udvikler sig."
Disse gigantiske huller - koncentrationer af stof så tæt, at tyngdekraften forhindrer selv lys i at slippe ud - er som motorer i galakser, men forskerne er først begyndt at forstå, hvordan de fungerer. Tyngdekraften trækker støv og gas ind til det galaktiske centrum, hvor den danner en hvirvlende tilvækstskive omkring det supermassive sorte hul, der opvarmes og bliver til hvidglødende plasma. Derefter, når det sorte hul opsluger dette stof (enten i drys og trist eller i pludselige udbrud), spyttes energi tilbage ud i galaksen i en feedbackproces. "Når du dyrker et sort hul, producerer du energi og dumper den ud i omgivelserne mere effektivt end gennem nogen anden proces, vi kender til i naturen," sagde Eliot Quataert, en teoretisk astrofysiker ved Princeton University. Denne feedback påvirker stjernedannelseshastigheder og gasstrømningsmønstre i hele galaksen.
Men forskere har kun vage ideer om supermassive sorte hullers "aktive" episoder, som gør dem til såkaldte aktive galaktiske kerner (AGN'er). "Hvad er den udløsende mekanisme? Hvad er afbryderen? Det er de grundlæggende spørgsmål, som vi stadig forsøger at komme ind på,” sagde Kirsten Hall fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Stjernefeedback, som opstår, når en stjerne eksploderer som en supernova, er kendt for at have lignende effekter som AGN-feedback i mindre skala. Disse stjernemotorer er let store nok til at regulere små "dværg" galakser, hvorimod kun de gigantiske motorer af supermassive sorte huller kan dominere udviklingen af de største "elliptiske" galakser.
Størrelsesmæssigt sidder Mælkevejen, en typisk spiralgalakse, i midten. Med få tydelige tegn på aktivitet i centrum, blev vores galakse længe anset for at være domineret af stjernernes feedback. Men flere nylige observationer tyder på, at AGN-feedback også former det. Ved at studere detaljerne i samspillet mellem disse tilbagekoblingsmekanismer i vores hjemmegalakse - og kæmpe med gåder som Skytten A*'s nuværende dunkelhed - håber astrofysikere at finde ud af, hvordan galakser og sorte huller generelt udvikler sig sammen. Mælkevejen "er ved at blive det mest kraftfulde astrofysiske laboratorium," sagde Natarajan. Ved at tjene som et mikrokosmos "holder den muligvis nøglen."
Galaktiske motorer
I slutningen af 1990'erne accepterede astronomer generelt tilstedeværelsen af sorte huller i galaksernes centre. På det tidspunkt kunne de se tæt nok på disse usynlige objekter til at udlede deres masse ud fra stjernernes bevægelser omkring dem. EN mærkelig sammenhæng opstod: Jo mere massiv en galakse er, jo tungere er dens centrale sorte hul. "Dette var særligt stramt, og det var fuldstændig revolutionerende. På en eller anden måde taler det sorte hul til galaksen,” sagde Tiziana Di Matteo, en astrofysiker ved Carnegie Mellon University.
Korrelationen er overraskende, når man tænker på, at det sorte hul - stort som det er - er en ringe brøkdel af galaksens størrelse. (Skytten A* vejer f.eks. omkring 4 millioner sole, mens Mælkevejen måler omkring 1.5 billioner solmasser.) På grund af dette trækker det sorte huls tyngdekraft kun med nogen styrke i det inderste område af galaksen.
For Martin Rees, Storbritanniens Astronomer Royal, tilbød AGN-feedback en naturlig måde at forbinde det relativt lille sorte hul med galaksen som helhed. To årtier tidligere, i 1970'erne, antog Rees korrekt, at supermassive sorte huller driver de lysende jetfly observeret i nogle fjerntliggende, lysende galakser kaldet kvasarer. Han endda foreslog, sammen med Donald Lynden-Bell, at et sort hul ville forklare, hvorfor Mælkevejens centrum lyser. Kan disse være tegn på et generelt fænomen, der styrer størrelsen af supermassive sorte huller overalt?
Tanken var, at jo mere stof et sort hul sluger, jo lysere bliver det, og den øgede energi og momentum blæser gas udad. Til sidst stopper det udadgående tryk gas i at falde ned i det sorte hul. »Det vil stoppe væksten. På en håndbølget måde var det begrundelsen,” sagde Rees. Eller, med Di Matteos ord, "det sorte hul spiser og sluger derefter." En meget stor galakse lægger mere vægt på det centrale sorte hul, hvilket gør det sværere at blæse gas udad, og så vokser det sorte hul sig større, før det sluger.
Alligevel var få astrofysikere overbevist om, at energien fra indfaldende stof kunne udstødes på så dramatisk en måde. "Da jeg lavede mit speciale, var vi alle besat af sorte huller som et point of no return - der gik bare gas," sagde Natarajan, der hjalp med at udvikle de første AGN-feedback-modeller som Rees' kandidatstuderende. "Alle var nødt til at gøre det meget forsigtigt og forsigtigt, da det var så radikalt."
Bekræftelsen af feedback-ideen kom et par år senere, fra computersimuleringer udviklet af Di Matteo og astrofysikerne Volker Springel , Lars Hernquist. "Vi ønskede at reproducere den fantastiske zoologiske have af galakser, som vi ser i det virkelige univers," sagde Di Matteo. De kendte det grundlæggende billede: Galakser starter små og tætte i det tidlige univers. Skru uret frem, og tyngdekraften smadrer disse dværge sammen i et blus af spektakulære fusioner, der danner ringe, boblebade, cigarer og enhver form derimellem. Galakser vokser i størrelse og variation, indtil de efter nok kollisioner bliver store og glatte. "Det ender i en klat," sagde Di Matteo. I simuleringerne kunne hun og hendes kolleger genskabe disse store trækløse klatter, kaldet elliptiske galakser, ved at slå spiralgalakser sammen mange gange. Men der var et problem.
Mens spiralgalakser som Mælkevejen har mange unge stjerner, der lyser blåt, indeholder gigantiske elliptiske galakser kun meget gamle stjerner, der lyser rødt. "De er røde og døde," sagde Springel, fra Max Planck Institute for Astrophysics i Garching, Tyskland. Men hver gang holdet kørte deres simulering, spyttede det ellipsestreger ud, der lyste blåt. Uanset hvad der slukkede for stjernedannelse, var det ikke blevet fanget i deres computermodel.
Så, sagde Springel, "vi havde ideen til at udvide vores galaksefusioner med supermassive sorte huller i midten. Vi lod disse sorte huller sluge gas og frigive energi, indtil det hele fløj fra hinanden, som en trykkogergryde. Pludselig ville den elliptiske galakse stoppe stjernedannelsen og blive rød og død."
"Min kæbe faldt," tilføjede han. "Vi forventede ikke, at [effekten] ville være så ekstrem."
Ved at gengive røde og døde elliptiske linjer, understøttede simuleringen Rees og Natarajans feedback-teorier om sorte hul. Et sort hul kan trods sin relativt lille størrelse tale til galaksen som helhed gennem feedback. I løbet af de sidste to årtier er computermodellerne blevet forfinet og udvidet til at simulere store dele af kosmos, og de matcher stort set den eklektiske galakse-zoo, vi ser omkring os. Disse simuleringer viser også, at udsendt energi fra sorte huller fylder rummet mellem galakser med varm gas, der ellers allerede skulle være afkølet og blevet til stjerner. "Folk er nu overbevist om, at supermassive sorte huller er meget plausible motorer," sagde Springel. "Ingen er kommet op med en succesfuld model uden sorte huller."
Feedbacks mysterier
Alligevel er computersimuleringerne stadig overraskende stumpe.
Når stof kryber indad til accretionskiven omkring et sort hul, får friktion energi til at blive skubbet ud igen; mængden af energi, der går tabt på denne måde, er noget koderne lægger i deres simuleringer i hånden gennem trial and error. Det er et tegn på, at detaljerne stadig er uhåndgribelige. "Der er en mulighed for, at vi i nogle tilfælde får det rigtige svar af den forkerte grund," sagde Quataert. "Måske fanger vi ikke, hvad der faktisk er det vigtigste ved, hvordan sorte huller vokser, og hvordan de dumper energi ind i deres omgivelser."
Sandheden er, at astrofysikere ikke rigtig ved, hvordan AGN-feedback fungerer. "Vi ved, hvor vigtigt det er. Men det undslipper os præcis, hvad der forårsager denne feedback,” sagde Di Matteo. "Nøgleproblemet er, at vi ikke forstår feedback dybt, fysisk."
De ved, at noget energi udsendes som stråling, som giver centrene i aktive galakser deres karakteristiske klare glød. Stærke magnetfelter får stof til at flyve ud fra tilvækstskiven, enten som diffuse galaktiske vinde eller i kraftige smalle stråler. Den mekanisme, hvormed sorte huller menes at affyre jetfly, kaldet Blandford-Znajek proces, blev identificeret i 1970'erne, men det, der bestemmer strålens kraft, og hvor meget af dens energi, der bliver absorberet af galaksen, er "stadig et åbent uløst problem," sagde Narayan. Den galaktiske vind, som udgår sfærisk fra tilvækstskiven og derfor har en tendens til at interagere mere direkte med galaksen end de smalle stråler, er endnu mere mystisk. "Milliard-dollar-spørgsmålet er: Hvordan er energikoblingen til gassen?" sagde Springel.
Et tegn på, at der stadig er et problem er, at de sorte huller i avancerede kosmologiske simuleringer ender mindre end de observerede størrelser af rigtige supermassive sorte huller i nogle systemer. For at slukke for stjernedannelse og skabe rød-og-døde galakser skal simuleringerne have sorte huller til at udstøde så meget energi, at de kvæler den indre strøm af stof, så de sorte huller holder op med at vokse. “Feedbacken i simuleringerne er for aggressiv; det hæmmer væksten for tidligt,” sagde Natarajan.
Mælkevejen eksemplificerer det modsatte problem: Simuleringer forudsiger typisk, at en galakse af dens størrelse bør have et sort hul mellem tre og 10 gange større end Skytten A* er.
Ved at tage et nærmere kig på Mælkevejen og nærliggende galakser håber forskerne, at vi kan begynde at optrevle præcis, hvordan AGN-feedback fungerer.
Mælkevejens økosystem
I december 2020 rapporterede forskere med røntgenteleskopet eROSITA, at de havde fik øje på et par bobler strækker sig titusindvis af lysår over og under Mælkevejen. De enorme bobler af røntgenstråler lignede lige så forvirrende bobler af gammastråler, som 10 år tidligere, Fermi Gamma-ray rumteleskopet opdagede udgå fra galaksen.
To oprindelsesteorier om Fermi-boblerne blev stadig diskuteret heftigt. Nogle astrofysikere foreslog, at de var et levn fra et jetfly, der skød ud af Skytten A* for millioner af år siden. Andre troede, at boblerne var den akkumulerede energi fra mange stjerner, der eksploderede nær det galaktiske centrum - en slags stjernefeedback.
Hvornår Hsiang-Yi Karen Yang fra National Tsing Hua University i Taiwan så billedet af eROSITA røntgenboblerne, hun "begyndte at hoppe op og ned." Det var klart for Yang, at røntgenstrålerne kunne have en fælles oprindelse med gammastrålerne, hvis begge blev genereret af den samme AGN-stråle. (Røntgenstrålerne ville komme fra chokeret gas i Mælkevejen snarere end fra selve jetflyet.) Sammen med medforfattere Ellen Zweibel , Mateusz Ruszkowski, gik hun i gang med at bygge en computermodel. Resultaterne, offentliggjort i Naturens astrofysik dette sidste forår, ikke kun genskabe formen af de observerede bobler og en lys chokfront, men forudsige, at de er dannet i løbet af 2.6 millioner år (ekspanderende udad fra en jet, der var aktiv i 100,000 år) - alt for hurtigt til at være forklaret med stjernefeedback.
Fundet tyder på, at AGN-feedback kan være langt vigtigere i almindelige diskgalakser som Mælkevejen, end forskere plejede at tro. Det billede, der tegner sig, er beslægtet med billedet af et økosystem, sagde Yang, hvor AGN og stjernefeedback er sammenflettet med den diffuse, varme gas, der omgiver galakser, kaldet det cirkumgalaktiske medium. Forskellige effekter og strømningsmønstre vil dominere i forskellige galaksetyper og på forskellige tidspunkter.
Et casestudie af Mælkevejens fortid og nutid kunne afsløre samspillet mellem disse processer. Europas Gaia-rumteleskop har for eksempel kortlagt de præcise positioner og bevægelser af millioner af Mælkevejens stjerner, hvilket gør det muligt for astrofysikere at spore historien om dets fusioner med mindre galakser. Sådanne fusionsbegivenheder er blevet antaget for at aktivere supermassive sorte huller ved at ryste stof ind i dem, hvilket får dem til pludselig at blive lysere og endda affyre jetfly. "Der er en stor debat på området om, hvorvidt fusioner er vigtige eller ej," sagde Quataert. Gaia-stjernedataene foreslår at Mælkevejen ikke gennemgik en fusion på det tidspunkt, hvor Fermi- og eROSITA-boblerne dannedes, hvilket misfordrede fusioner som udløserne af AGN-jetflyet.
Alternativt kan klatter af gas bare tilfældigvis kollidere med det sorte hul og aktivere det. Det kan kaotisk skifte mellem at spise, bøvse energi som jetfly og galaktiske vinde og holde pause.
Event Horizon-teleskopets seneste billede af Skytten A*, som afslører dens nuværende strøm af indfaldende stof, præsenterer et nyt puslespil at løse. Astrofysikere vidste allerede, at ikke al den gas, der trækkes ind i en galakse, vil nå det sorte huls horisont, da galaktiske vinde skubber udad mod denne tilvækststrøm. Men styrken af de vinde, der kræves for at forklare sådan en ekstremt tilspidset strømning, er urealistisk. "Når jeg laver simuleringer, ser jeg ikke en enorm vind," sagde Narayan. "Det er ikke den slags vind, du har brug for til en fuldstændig forklaring på, hvad der foregår."
Indlejrede simuleringer
En del af udfordringen med at forstå, hvordan galakser fungerer, er den enorme forskel mellem længdeskalaerne på spil i stjerner og sorte huller og skalaerne fra hele galakser og deres omgivelser. Når man simulerer en fysisk proces på en computer, vælger forskere en skala og inkluderer relevante effekter på den skala. Men i galakser interagerer store og små effekter.
"Det sorte hul er virkelig lille sammenlignet med den store galakse, og du kan ikke placere dem alle i en enkelt kæmpe simulation," sagde Narayan. "Hvert regime har brug for information fra den anden fyr, men ved ikke, hvordan man laver forbindelsen."
For at prøve at bygge bro over dette kløft lancerer Narayan, Natarajan og kolleger et projekt, der vil bruge indlejrede simuleringer til at bygge en sammenhængende model af, hvordan gas strømmer gennem Mælkevejen og den nærliggende aktive galakse Messier 87. "Du tillader information at komme fra galaksen for at fortælle det sorte hul, hvad man skal gøre, og så tillader man informationen fra det sorte hul at gå tilbage og fortælle galaksen, hvad den skal gøre," sagde Narayan. "Det er en løkke, der går rundt og rundt og rundt."
Simuleringerne skulle hjælpe med at afklare strømningsmønsteret for den diffuse gas i og omkring galakser. (Yderligere observationer af det cirkumgalaktiske medium af James Webb Space Telescope vil også hjælpe.) "Det er en kritisk del af hele dette økosystem," sagde Quataert. "Hvordan får du gassen ned til det sorte hul for at drive al den energi, der går ud igen?"
I den nye ordning er det afgørende, at alle input og output mellem simuleringer af forskellige skalaer skal være konsistente, hvilket efterlader færre drejeknapper. "Hvis simuleringen er sat ordentligt op, vil den konsekvent afgøre, hvor meget gas der skal nå det sorte hul," sagde Narayan. "Vi kan se på det og spørge: Hvorfor spiste det ikke al gassen? Hvorfor var det så nøjeregnende og tog så lidt af den tilgængelige gas?" Gruppen håber at skabe en række snapshots af galakserne under forskellige faser af deres udvikling.
Indtil videre er meget om disse galaktiske økosystemer stadig en anelse. "Det er virkelig en ny æra, hvor folk begynder at tænke på disse overlappende scenarier," sagde Yang. "Jeg har ikke et klart svar, men det håber jeg, at jeg vil om nogle år."
Redaktørens note: Priya Natarajan tjener i øjeblikket i Quantas videnskabelige rådgivende udvalg.
