12. mail üheksal samaaegsel pressikonverentsil üle maailma astrofüüsikud paljastas esimese pildi Linnutee südames asuvast mustast august. Alguses, olgugi vinge, tundus vaevaliselt valmistatud pilt valgusrõngast meie galaktika keskse pimeduseaugu ümber vaid tõestavat seda, mida eksperdid juba ootasid: Linnutee ülimassiivne must auk on olemas, see pöörleb ja järgib Albert Einsteini seisukohta. üldine relatiivsusteooria.
Ja ometi, lähemal vaatlusel ei ole asjad päris paigas.
Teadlased on valguse bageli heleduse põhjal hinnanud kui kiiresti aine langeb Ambur A* peale – Linnutee kesksele mustale augule antud nimi. Vastus on: mitte kiiresti. "See on ummistunud kuni väikese nireni," ütles Priya Natarajan, Yale'i ülikooli kosmoloog, võrdleb galaktikat katkise dušiotsaga. Millegipärast on see vaid tuhandik asjast voolab Linnuteele ümbritsevast galaktikatevahelisest keskkonnast teeb selle kogu tee alla ja auku. "See paljastab tohutu probleemi," ütles Natarajan. „Kuhu see gaas läheb? Mis toimub vooluga? On väga selge, et meie arusaam mustade aukude kasvust on kahtlane.
Viimase veerandsajandi jooksul on astrofüüsikud mõistnud, milline tihe ja dünaamiline seos eksisteerib paljude galaktikate ja nende keskpunktides olevate mustade aukude vahel. "Väljas on toimunud tõesti tohutu üleminek," ütleb Ramesh Narayan, teoreetiline astrofüüsik Harvardi ülikoolis. "Üllatus oli see, et mustad augud on olulised galaktikate arengu kujundajate ja kontrollijatena."
Need hiiglaslikud augud – nii tihedad ainekontsentratsioonid, et gravitatsioon ei lase isegi valgusel välja pääseda – on nagu galaktikate mootorid, kuid teadlased hakkavad alles mõistma, kuidas need toimivad. Gravitatsioon tõmbab tolmu ja gaasi sissepoole galaktika keskpunkti, kus see moodustab ülimassiivse musta augu ümber keerleva akretsiooniketta, mis kuumeneb ja muutub valgeks kuumaks plasmaks. Seejärel, kui must auk selle aine endasse haarab (kas tilkade ja udude või äkiliste puhangutena), sülitatakse energia tagasiside protsessis tagasi galaktikasse. "Kui kasvatate musta auku, toodate energiat ja paiskate selle keskkonda tõhusamalt kui ühegi muu looduses toimuva protsessi kaudu," ütles ta. Eliot Quataert, Princetoni ülikooli teoreetiline astrofüüsik. See tagasiside mõjutab tähtede moodustumise kiirust ja gaasivoolu mustreid kogu galaktikas.
Kuid teadlastel on ülimassiivsete mustade aukude "aktiivsete" episoodide kohta vaid ähmased ideed, mis muudavad need niinimetatud aktiivseteks galaktilisteks tuumadeks (AGN). „Mis on käivitusmehhanism? Mis on väljalüliti? Need on põhiküsimused, millele me ikka veel püüame jõuda, ”ütles Kirsten Hall Harvard-Smithsoniani astrofüüsika keskusest.
Tähetagasiside, mis tekib siis, kui täht plahvatab supernoovana, omab teadaolevalt sarnaseid mõjusid kui AGN-i tagasisidel väiksemas ulatuses. Need tähemootorid on kergesti piisavalt suured, et reguleerida väikeseid "kääbus" galaktikaid, samas kui ainult ülimassiivsete mustade aukude hiiglaslikud mootorid saavad domineerida suurimate "ellipsikujuliste" galaktikate arengus.
Suuruse järgi asub Linnutee, tüüpiline spiraalgalaktika, keskel. Kuna selle keskmes on vähe ilmseid aktiivsuse märke, arvati pikka aega, et meie galaktikas domineerib tähtede tagasiside. Kuid mitmed hiljutised tähelepanekud viitavad sellele, et ka AGN-i tagasiside kujundab seda. Uurides meie kodugalaktikas nende tagasisidemehhanismide koosmõju üksikasju – ja maadeldes mõistatustega, nagu praegune Sagittarius A* hämarus –, loodavad astrofüüsikud välja selgitada, kuidas galaktikad ja mustad augud üldiselt koos arenevad. Linnuteest on saamas võimsaim astrofüüsikaline labor, ütles Natarajan. Mikrokosmosena toimides "võib see võtit hoida".
Galaktilised mootorid
1990. aastate lõpuks aktsepteerisid astronoomid üldiselt mustade aukude olemasolu galaktikate keskustes. Selleks ajaks nägid nad nendele nähtamatutele objektidele piisavalt lähedale, et järeldada nende massi nende ümber asuvate tähtede liikumise põhjal. A ilmnes kummaline korrelatsioon: Mida massiivsem on galaktika, seda raskem on selle keskne must auk. „See oli eriti tihe ja täiesti revolutsiooniline. Kuidagi räägib must auk galaktikaga, ”ütles Tiziana Di Matteo, Carnegie Melloni ülikooli astrofüüsik.
Korrelatsioon on üllatav, kui arvate, et must auk – nii suur kui see on – on väike osa galaktika suurusest. (Näiteks Sagittarius A* kaalub umbes 4 miljonit päikest, samas kui Linnutee mõõdab umbes 1.5 triljonit Päikese massi.) Seetõttu tõmbab musta augu gravitatsioon jõuliselt ainult galaktika kõige sisemisesse piirkonda.
Ühendkuningriigi kuningliku astronoomi Martin Reesile pakkus AGN-i tagasiside loomulikku viisi suhteliselt väikese musta augu ühendamiseks galaktikaga laiemalt. Kaks aastakümmet varem, 1970. aastatel, püstitas Rees õigesti hüpoteesi, et ülimassiivsed mustad augud toiteks valgusjoad täheldatud mõnes kauges eredalt helendavas galaktikas, mida nimetatakse kvasariteks. Ta isegi pakutud, koos Donald Lynden-Belliga, et must auk selgitaks, miks Linnutee keskpunkt helendab. Kas need võivad olla märgid üldisest nähtusest, mis reguleerib ülimassiivsete mustade aukude suurust kõikjal?
Idee seisnes selles, et mida rohkem ainet must auk neelab, seda heledamaks see muutub ning suurenenud energia ja hoog puhub gaasi väljapoole. Lõpuks takistab väljapoole suunatud rõhk gaasi kukkumist musta auku. "See lõpetab kasvu. Käega lainetades oli see põhjendus,” rääkis Rees. Või Di Matteo sõnade kohaselt "must auk sööb ja siis neelab". Väga suur galaktika paneb kesksele mustale augule rohkem raskust, muutes gaasi väljapoole puhumise raskemaks ja nii kasvab must auk enne allaneelamist suuremaks.
Ometi olid vähesed astrofüüsikud veendunud, et sisse langeva aine energiat saab nii dramaatilisel viisil välja paisata. "Kui ma oma lõputööd tegin, olime kõik kinnisideeks mustadest aukudest kui tagasitulekupunktist – lihtsalt gaas läheb sisse," ütles Natarajan, kes aitas Reesi magistrandina välja töötada esimesi AGN-i tagasisidemudeleid. "Kõik pidid seda tegema väga ettevaatlikult ja ettevaatlikult, kuna see oli nii radikaalne."
Tagasisideidee kinnitus sai paar aastat hiljem Di Matteo ja astrofüüsikute välja töötatud arvutisimulatsioonidest. Volker Springel ja Lars Hernquist. "Tahtsime reprodutseerida hämmastavat galaktikate loomaaeda, mida me reaalses universumis näeme," ütles Di Matteo. Nad teadsid põhipilti: galaktikad saavad alguse väikestest ja tihedatest varajases universumis. Keerake kella edasi ja gravitatsioon lööb need kääbused kokku suurejooneliste ühinemiste tules, moodustades rõngaid, mullivanne, sigareid ja kõiki nende vahele jäävaid kujundeid. Galaktikate suurus ja mitmekesisus kasvavad, kuni pärast piisavat kokkupõrget muutuvad nad suureks ja siledaks. "See lõpeb laiguga," ütles Di Matteo. Simulatsioonides suutsid ta ja ta kolleegid spiraalgalaktikaid mitu korda liites need suured tunnusteta plekid, mida nimetatakse elliptilisteks galaktikateks, uuesti luua. Kuid tekkis probleem.
Kui spiraalgalaktikatel nagu Linnutee on palju noori siniselt helendavaid tähti, siis hiiglaslikud elliptilised galaktikad sisaldavad ainult väga vanu punaselt helendavaid tähti. "Nad on punased ja surnud," ütles Springel Saksamaal Garchingis asuvast Max Plancki astrofüüsika instituudist. Kuid iga kord, kui meeskond oma simulatsiooni käivitas, sülitas ta välja siniselt helendavad elliptilised kujundid. Mis iganes tähtede moodustumist välja lülitas, polnud nende arvutimudelisse jäädvustatud.
Seejärel ütles Springel: "Meil tekkis idee suurendada galaktikate ühinemist ülimassiivsete mustade aukudega keskel. Lasime neil mustadel aukudel gaasi alla neelata ja energiat vabastada, kuni kogu asi lendas laiali nagu kiirkeedupott. Järsku lõpetaks elliptiline galaktika tähtede moodustumise ning muutuks punaseks ja surnuks.
"Mu lõualuu langes," lisas ta. "Me ei oodanud, et [mõju] on nii äärmuslik."
Punaste ja surnud elliptiliste kujundite reprodutseerimise teel, toetas simulatsioon Reesi ja Natarajani mustade aukude tagasiside teooriaid. Must auk, vaatamata oma suhteliselt väikesele suurusele, suudab tagasiside kaudu rääkida galaktikaga tervikuna. Viimase kahe aastakümne jooksul on arvutimudeleid viimistletud ja laiendatud, et simuleerida suuri kosmosealasid ning need vastavad üldjoontes meie ümber olevale eklektilisele galaktika loomaaiale. Need simulatsioonid näitavad ka, et mustadest aukudest väljapaiskuv energia täidab galaktikate vahelise ruumi kuuma gaasiga, mis muidu oleks pidanud juba jahtuma ja tähtedeks muutuma. "Inimesed on praeguseks veendunud, et ülimassiivsed mustad augud on väga usutavad mootorid," ütles Springel. "Keegi pole välja pakkunud edukat mudelit ilma mustade aukudeta."
Tagasiside saladused
Kuid arvutisimulatsioonid on endiselt üllatavalt nürid.
Kui aine hiilib sissepoole musta augu ümber asuvasse akretsioonikettasse, surub hõõrdumine energia tagasi välja; sel viisil kaotatud energiahulk on midagi, mida kodeerijad katse-eksituse meetodil käsitsi simulatsioonidesse panid. See on märk sellest, et üksikasjad on endiselt tabamatud. "On võimalus, et mõnel juhul saame õige vastuse valel põhjusel," ütles Quataert. "Võib-olla me ei jäädvusta seda, mis on tegelikult kõige olulisem asi selles, kuidas mustad augud kasvavad ja kuidas nad ümbritsevasse energiat paiskavad."
Tõde on see, et astrofüüsikud ei tea tegelikult, kuidas AGN-i tagasiside töötab. "Me teame, kui oluline see on. Kuid see on meie eest põgenemine, mis selle tagasiside põhjustab, ”ütles Di Matteo. "Võti, põhiprobleem on see, et me ei mõista tagasisidet sügavalt, füüsiliselt."
Nad teavad, et osa energiast eraldub kiirgusena, mis annab aktiivsete galaktikate keskustele neile iseloomuliku ereda sära. Tugevad magnetväljad põhjustavad aine lendumist ka akretsioonikettalt, kas hajus galaktilise tuulena või võimsate kitsaste jugadena. Mehhanism, mille abil arvatakse, et mustad augud käivitavad joad, nimetatakse Blandford-Znajeki protsess, tuvastati 1970. aastatel, kuid see, mis määrab kiire võimsuse ja kui palju selle energiast galaktika neelab, on "veel lahtine lahendamata probleem", ütles Narayan. Galaktika tuul, mis lähtub sfääriliselt akretsioonikettalt ja kipub seega galaktikaga otsesemalt suhtlema kui kitsad joad, on veelgi salapärasem. "Miljardi dollari küsimus on: kuidas on energia gaasiga ühendatud?" ütles Springel.
Üks märk sellest, et probleem on endiselt olemas, on see, et nüüdisaegsete kosmoloogiliste simulatsioonide mustad augud lõpevad väiksem kui mõnedes süsteemides täheldatud tõeliste ülimassiivsete mustade aukude suurus. Tähtede moodustumise väljalülitamiseks ja punaste ja surnud galaktikate loomiseks vajavad simulatsioonid mustad augud, mis eraldaksid nii palju energiat, et need summutavad aine sissetuleva voo, nii et mustad augud ei kasva enam. „Tagasiside simulatsioonides on liiga agressiivne; see pidurdab kasvu enneaegselt,” ütles Natarajan.
Linnutee näitab vastupidist probleemi: Simulatsioonid ennustavad tavaliselt, et selle suurusega galaktikas peaks olema kolm kuni kümme korda suurem must auk kui Ambur A*.
Linnuteed ja lähedalasuvaid galaktikaid lähemalt uurides loodavad teadlased, et saame hakata täpselt lahti harutama, kuidas AGN-i tagasiside toimib.
Linnutee ökosüsteem
2020. aasta detsembris teatasid eROSITA röntgenteleskoobiga teadlased, et neil oli märkas paari mulli ulatudes kümneid tuhandeid valgusaastaid Linnutee kohal ja all. Tohutud röntgenikiirte mullid meenutasid sama hämmastavaid gammakiirte mullikesi, mida 10 aastat varem tuvastas Fermi gammakiirguse kosmoseteleskoop galaktikast väljumas.
Fermi mullide kahe päritoluteooria üle arutati endiselt tuliselt. Mõned astrofüüsikud väitsid, et tegemist on reaktiivlennuki reliikviaga, mis tulistas välja Sagittarius A*-st miljoneid aastaid tagasi. Teised arvasid, et mullid on paljude galaktika keskuse lähedal plahvatavate tähtede kogunenud energia – omamoodi tähtede tagasiside.
Kui Hsiang-Yi Karen Yang Taiwani riiklikust Tsing Hua ülikoolist nägi eROSITA röntgenmullide kujutist, ta "hakkas üles-alla hüppama". Yangile oli selge, et röntgenkiirtel võib olla gammakiirtega ühine päritolu, kui mõlemad genereeriti sama AGN-i joaga. (Röntgenikiirgus pärines pigem Linnutee põrutatud gaasist, mitte lennukist endast.) Koos kaasautoritega Ellen Zweibel ja Mateusz Ruszkowski, asus ta arvutimudelit looma. Tulemused, avaldatakse Looduse astrofüüsika sel eelmisel kevadel mitte ainult ei korrata vaadeldud mullide kuju ja eredat põrutusfronti, vaid ennustab, et need tekkisid 2.6 miljoni aasta jooksul (laienedes väljapoole 100,000 XNUMX aastat aktiivsest joast) – liiga kiiresti, et olla seletatakse tähe tagasisidega.
Leid viitab sellele, et AGN-i tagasiside võib olla palju olulisem kettagalaktikate nagu Linnutee puhul, kui teadlased varem arvasid. Tekkiv pilt sarnaneb ökosüsteemi omaga, ütles Yang, kus AGN ja tähtede tagasiside on läbi põimunud galaktikaid ümbritseva hajusa kuuma gaasiga, mida nimetatakse ümbergalaktikaks. Erinevatel galaktikatüüpidel ja eri aegadel domineerivad erinevad efektid ja voolumustrid.
Linnutee mineviku ja oleviku juhtumiuuring võib paljastada nende protsesside koosmõju. Näiteks Euroopa kosmoseteleskoop Gaia on kaardistanud miljonite Linnutee tähtede täpsed asukohad ja liikumised, võimaldades astrofüüsikutel jälgida selle ühinemise ajalugu väiksemate galaktikatega. On oletatud, et sellised ühinemissündmused aktiveerivad ülimassiivsed mustad augud, raputades neisse ainet, põhjustades nende äkitselt heledamaks muutumist ja isegi reaktiivlennukite käivitamist. "Selles valdkonnas on suur arutelu selle üle, kas ühinemised on olulised või mitte," ütles Quataert. Gaia tähe andmed soovitab et Linnutee ei ühinenud ajal, mil tekkisid Fermi ja eROSITA mullid, mis ei soosivat ühinemisi kui AGN-i reaktiivlennuki käivitajaid.
Teise võimalusena võivad gaasilaigud musta auguga kokku puutuda ja selle aktiveerida. See võib kaootiliselt lülituda söömise, energiajoa ja galaktilise tuulena välja röhitsemise ja pausi vahel.
Teleskoobi Event Horizon Telescope hiljutine pilt Ambur A*-st, mis paljastab selle sissetungiva aine praeguse nire, esitab uue mõistatuse, mida lahendada. Astrofüüsikud teadsid juba, et mitte kogu galaktikasse tõmmatud gaas ei jõua musta augu horisonti, kuna galaktilised tuuled suruvad selle akretsioonivoolu vastu väljapoole. Kuid sellise äärmiselt kitseneva voolu selgitamiseks vajalik tuulte tugevus on ebareaalne. "Kui ma simulatsioone teen, ei näe ma suurt tuult," ütles Narayan. "See pole selline tuul, mida vajate toimuva täielikuks selgitamiseks."
Pesastatud simulatsioonid
Üks osa galaktikate toimimise mõistmise väljakutsest on tohutu erinevus tähtedes ja mustades aukudes kasutatavate pikkusskaalade ning tervete galaktikate ja nende ümbruse skaalade vahel. Füüsilise protsessi simuleerimisel arvutis valivad teadlased skaala ja lisavad sellel skaalal asjakohased efektid. Kuid galaktikates suhtlevad suured ja väikesed efektid.
"Must auk on suure galaktikaga võrreldes tõeliselt väike ja te ei saa neid kõiki ühte tohutusse simulatsiooni panna," ütles Narayan. "Iga režiim vajab teiselt mehelt teavet, kuid ei tea, kuidas ühendust luua."
Selle lõhe ületamiseks käivitavad Narayan, Natarajan ja tema kolleegid projekti, mis kasutab pesastatud simulatsioone, et luua sidus mudel gaasi voolamisest läbi Linnutee ja lähedalasuva aktiivse galaktika Messier 87. „Te lubate teabel tulla galaxy, et öelda mustale augule, mida teha, ja siis lubate mustast august pärineval teabel tagasi minna ja öelda galaktikale, mida teha, "ütles Narayan. "See on silmus, mis käib ringi ja ringi."
Simulatsioonid peaksid aitama selgitada hajutatud gaasi voolumustrit galaktikates ja nende ümbruses. (Abiks on ka James Webbi kosmoseteleskoobi ringgalaktilise keskkonna edasised vaatlused.) "See on kogu selle ökosüsteemi kriitiline osa," ütles Quataert. "Kuidas viia gaas alla musta auku, et juhtida kogu energia, mis välja läheb?"
Ülioluline on see, et uues skeemis peavad kõik sisendid ja väljundid erinevate skaaladega simulatsioonide vahel olema järjepidevad, jättes vähem kettaid keerata. "Kui simulatsioon on õigesti seadistatud, otsustab see järjekindlalt, kui palju gaasi peaks musta auku jõudma," ütles Narayan. „Võime seda uurida ja küsida: miks see ei söönud ära kogu gaasi? Miks oli see nii tüütu ja kasutas nii vähe saadaolevat gaasi?” Rühm loodab luua galaktikate hetktõmmiste seeria nende evolutsiooni erinevatel etappidel.
Praegu on palju nende galaktiliste ökosüsteemide kohta endiselt aimdus. "See on tõesti uus ajastu, kus inimesed hakkavad mõtlema nendele kattuvatele stsenaariumidele," ütles Yang. "Mul pole selget vastust, aga ma loodan, et saan mõne aasta pärast."
Toimetaja märkus: Priya Natarajan töötab praegu Quanta teaduslikus nõuandekogus.
