Toukokuun 12. päivänä yhdeksässä samanaikaisessa lehdistötilaisuudessa eri puolilla maailmaa astrofyysikot paljasti ensimmäisen kuvan Linnunradan ytimessä olevasta mustasta aukosta. Aluksi, vaikka se olikin mahtavaa, huolella tuotettu kuva valorenkaasta galaksimme keskimmäisen pimeyden kuopan ympärillä näytti vain todistavan sen, mitä asiantuntijat jo odottivat: Linnunradan supermassiivinen musta aukko on olemassa, se pyörii ja tottelee Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria.
Ja kuitenkin, lähemmin tarkasteltuna, asiat eivät ole aivan kasassa.
Valon bagelin kirkkauden perusteella tutkijat ovat arvioineet kuinka nopeasti aine putoaa Sagittarius A*:lle – Linnunradan keskeiselle mustalle aukolle annettu nimi. Vastaus on: ei ollenkaan nopeasti. "Se on tukossa pieneen valumaan", sanoi Priya Natarajan, Yalen yliopiston kosmologi, joka vertaa galaksia rikkinäiseen suihkupäähän. Jotenkin vain tuhannesosa siitä virtaa Linnunrataan ympäröivästä intergalaktisesta väliaineesta tekee sen aina alas ja reikään. "Se paljastaa valtavan ongelman", Natarajan sanoi. "Mihin tämä kaasu menee? Mitä virtaukselle tapahtuu? On hyvin selvää, että käsityksemme mustien aukkojen kasvusta on epäilyttävää.
Kuluneen neljännesvuosisadan aikana astrofyysikot ovat oppineet ymmärtämään, kuinka tiivis, dynaaminen suhde on olemassa monien galaksien ja niiden keskuksissa olevien mustien aukkojen välillä. "Alalla on tapahtunut todella suuri muutos", sanoo Ramesh Narayan, teoreettinen astrofyysikko Harvardin yliopistossa. "Yllätys oli, että mustat aukot ovat tärkeitä galaksien kehityksen muotoilijoina ja ohjaajina."
Nämä jättiläisreiät – ainepitoisuudet niin tiheät, että painovoima estää edes valoa karkaamasta – ovat kuin galaksien moottoreita, mutta tutkijat ovat vasta alkaneet ymmärtää niiden toimintaa. Painovoima vetää pölyä ja kaasua sisäänpäin galaksin keskukseen, jossa se muodostaa pyörteisen akkretion kiekon supermassiivisen mustan aukon ympärille, joka lämpenee ja muuttuu valkokuumaksi plasmaksi. Sitten, kun musta aukko nielaisee tämän aineen (joko roppana tai äkillisinä purkauksina), energiaa syljetään takaisin galaksiin takaisinkytkentäprosessissa. "Kun kasvatat mustan aukon, tuotat energiaa ja pudotat sitä ympäristöön tehokkaammin kuin minkään muun luonnossa tuntemamme prosessin kautta", sanoi Eliot Quataert, teoreettinen astrofyysikko Princetonin yliopistosta. Tämä palaute vaikuttaa tähtien muodostumisnopeuteen ja kaasun virtauskuvioihin koko galaksissa.
Mutta tutkijoilla on vain epämääräisiä käsityksiä supermassiivisten mustien aukkojen "aktiivisista" episodeista, jotka muuttavat ne niin sanotuiksi aktiivisiksi galaktisiksi ytimiksi (AGN). "Mikä on laukaisumekanismi? Mikä on sammutuskytkin? Nämä ovat peruskysymyksiä, joihin yritämme vielä päästä”, sanoi Kirsten Hall Harvard-Smithsonianin astrofysiikan keskuksesta.
Tähtien palautteen, joka syntyy, kun tähti räjähtää supernovana, tiedetään olevan samat vaikutukset kuin AGN-palautteen pienemmässä mittakaavassa. Nämä tähtimoottorit ovat helposti riittävän suuria säätelemään pieniä "kääpiö" galakseja, kun taas vain supermassiivisten mustien aukkojen jättiläismoottorit voivat hallita suurimpien "elliptisten" galaksien kehitystä.
Linnunrata, tyypillinen spiraaligalaksi, on koon suhteen keskellä. Koska sen keskustassa oli vain vähän selviä merkkejä aktiivisuudesta, galaksiamme uskottiin pitkään hallitsevan tähtien palautetta. Mutta useat viimeaikaiset havainnot viittaavat siihen, että myös AGN-palaute muokkaa sitä. Tutkimalla yksityiskohtia näiden takaisinkytkentämekanismien välisestä vuorovaikutuksesta kotigalaksissamme – ja kamppailemalla pulmapelien, kuten Jousimies A*:n nykyisen hämärän, kanssa – astrofyysikot toivovat saavansa selville, miten galaksit ja mustat aukot kehittyvät yhdessä. Linnunradasta on tulossa tehokkain astrofysikaalinen laboratorio, Natarajan sanoi. Toimiessaan mikrokosmosena se "saattaa pitää avaimen".
Galaktiset moottorit
1990-luvun lopulla tähtitieteilijät hyväksyivät yleisesti mustien aukkojen esiintymisen galaksien keskuksissa. Siihen mennessä he pystyivät näkemään tarpeeksi lähelle näitä näkymättömiä esineitä voidakseen päätellä niiden massan niiden ympärillä olevien tähtien liikkeistä. A outo korrelaatio ilmeni: Mitä massiivisempi galaksi on, sitä raskaampi sen keskellä oleva musta aukko. ”Tämä oli erityisen tiukka, ja se oli täysin vallankumouksellinen. Jotenkin musta aukko puhuu galaksille", sanoi Tiziana di Matteo, astrofyysikko Carnegie Mellonin yliopistossa.
Korrelaatio on yllättävä, kun ottaa huomioon, että musta aukko – niin suuri kuin se on – on pieni murto-osa galaksin koosta. (Esimerkiksi Jousimies A* painaa noin 4 miljoonaa aurinkoa, kun taas Linnunradan massa on noin 1.5 biljoonaa.) Tämän vuoksi mustan aukon painovoima vetää millään voimalla vain galaksin sisimpään alueeseen.
Martin Reesille, Yhdistyneen kuningaskunnan Astronome Royalille, AGN-palaute tarjosi luonnollisen tavan yhdistää suhteellisen pieni musta aukko galaksiin yleisesti. Kaksi vuosikymmentä aikaisemmin, 1970-luvulla, Rees oletti oikein supermassiivisten mustien aukkojen olemassaolosta antaa virtaa valosuihkuille havaittu joissakin kaukaisissa, kirkkaasti hehkuvissa galakseissa, joita kutsutaan kvasareiksi. Hän jopa ehdotettu, yhdessä Donald Lynden-Bellin kanssa, että musta aukko selittäisi miksi Linnunradan keskus hehkuu. Voivatko nämä olla merkkejä yleisestä ilmiöstä, joka hallitsee supermassiivisten mustien aukkojen kokoa kaikkialla?
Ajatuksena oli, että mitä enemmän ainetta musta aukko nielee, sitä kirkkaammaksi se tulee, ja lisääntynyt energia ja liikemäärä puhaltaa kaasua ulospäin. Lopulta ulospäin suuntautuva paine estää kaasua putoamasta mustaan aukkoon. "Se lopettaa kasvun. Käden aaltoilevalla tavalla se oli perustelu, Rees sanoi. Tai Di Matteon sanoin "musta aukko syö ja sitten nielee". Erittäin suuri galaksi painaa enemmän keskimmäistä mustaa aukkoa, mikä vaikeuttaa kaasun puhaltamista ulospäin, jolloin musta aukko kasvaa isommaksi ennen kuin se nielee.
Silti harvat astrofyysikot olivat vakuuttuneita siitä, että sisään putoavan aineen energia voitiin purkaa ulos näin dramaattisella tavalla. "Kun tein opinnäytetyötäni, olimme kaikki pakkomielle mustista aukoista, joista ei ole paluuta - vain kaasua tuli sisään", sanoi Natarajan, joka auttoi kehittämään ensimmäisiä AGN-palautemalleja Reesin jatko-opiskelijana. "Kaikkien piti tehdä se hyvin varovasti ja varovasti, koska se oli niin radikaalia."
Palaute-ajatuksen vahvistus tuli muutama vuosi myöhemmin Di Matteon ja astrofyysikkojen kehittämistä tietokonesimulaatioista. Volker Springel ja Lars Hernquist. "Halusimme toistaa hämmästyttävän galaksieläintarhan, jonka näemme todellisessa universumissa", Di Matteo sanoi. He tiesivät peruskuvan: galaksit alkavat pieninä ja tiheinä varhaisessa universumissa. Kierrä kelloa eteenpäin ja painovoima murskaa nämä kääpiöt yhteen upeiden sulautumisten liekeissä muodostaen renkaita, porealtaita, sikareita ja kaikkea siltä väliltä. Galaksit kasvavat kooltaan ja monimuotoisuudeltaan, kunnes riittävän törmäyksen jälkeen niistä tulee suuria ja sileitä. "Se päätyy möykkyyn", sanoi Di Matteo. Simulaatioissa hän ja hänen kollegansa pystyivät luomaan uudelleen nämä suuret, luonteettomat täplät, joita kutsutaan elliptisiksi galakseiksi, yhdistämällä spiraaligalakseja monta kertaa. Mutta siinä oli ongelma.
Linnunradan kaltaisissa spiraaligalakseissa on monia nuoria sinisiä tähtiä, kun taas jättimäiset elliptiset galaksit sisältävät vain hyvin vanhoja punaisena hehkuvia tähtiä. "Ne ovat punaisia ja kuolleita", sanoi Springel, Max Planckin astrofysiikan instituutista Garchingissa, Saksassa. Mutta joka kerta kun tiimi suoritti simulaatiotaan, se sylki ulos elliptisiä muotoja, jotka hehkuivat sinisenä. Mitä tahansa tähtien muodostumisen katkaisi, ei ollut taltioitu heidän tietokonemallissaan.
Sitten Springel sanoi: "Meillä oli idea lisätä galaksien fuusioitumista supermassiivisilla mustilla aukoilla keskellä. Annoimme näiden mustien aukkojen niellä kaasua ja vapauttaa energiaa, kunnes koko asia lensi erilleen, kuin painekattila. Yhtäkkiä elliptinen galaksi lopettaisi tähtien muodostumisen ja muuttuisi punaiseksi ja kuolleeksi.
"Leukani putosi", hän lisäsi. "Emme odottaneet [vaikutuksen] olevan niin äärimmäinen."
Toistamalla punaisia ja kuolleita elliptisiä muotoja, simulaatio vahvisti Reesin ja Natarajanin mustan aukon palauteteorioita. Suhteellisen pienestä koostaan huolimatta musta aukko voi puhua galaksille kokonaisuutena palautteen kautta. Kahden viime vuosikymmenen aikana tietokonemalleja on jalostettu ja laajennettu jäljittelemään suuria avaruusalueita, ja ne vastaavat laajalti ympärillämme näkemäämme eklektistä galaksieläintarhaa. Nämä simulaatiot osoittavat myös, että mustista aukoista sinkoutuva energia täyttää galaksien välisen tilan kuumalla kaasulla, jonka muuten olisi pitänyt jäähtyä ja muuttua tähdiksi. "Ihmiset ovat tähän mennessä vakuuttuneita siitä, että supermassiiviset mustat aukot ovat erittäin uskottavia moottoreita", sanoi Springel. "Kukaan ei ole keksinyt menestyvää mallia ilman mustia aukkoja."
Palautteen mysteerit
Tietokonesimulaatiot ovat kuitenkin edelleen yllättävän tylsiä.
Kun ainetta hiipii sisäänpäin mustan aukon ympärillä olevaan akkretiolevyyn, kitka saa energiaa työntymään takaisin ulos; Tällä tavalla menetetty energiamäärä on jotain, mitä koodaajat laittavat simulaatioihinsa käsin yrityksen ja erehdyksen kautta. Se on merkki siitä, että yksityiskohdat ovat vielä vaikeaselkoisia. "On mahdollista, että joissakin tapauksissa saamme oikean vastauksen väärästä syystä", Quataert sanoi. "Ehkä emme saa kiinni siitä, mikä on itse asiassa tärkeintä siinä, kuinka mustat aukot kasvavat ja kuinka ne syöttävät energiaa ympäristöönsä."
Totuus on, että astrofyysikot eivät todellakaan tiedä, miten AGN-palaute toimii. "Tiedämme, kuinka tärkeää se on. Mutta se pakenee meitä, mikä aiheuttaa tämän palautteen”, Di Matteo sanoi. "Avain, keskeinen ongelma on, että emme ymmärrä palautetta syvällisesti, fyysisesti."
He tietävät, että osa energiasta säteilee säteilynä, mikä antaa aktiivisten galaksien keskuksille tyypillisen kirkkaan hehkun. Voimakkaat magneettikentät saavat aineen lentää myös akkretiolevyltä joko hajaantuvina galaktisina tuulina tai voimakkaina kapeina suihkuina. Mekanismia, jolla mustien aukkojen uskotaan laukaisevan suihkuja, kutsutaan nimellä Blandford-Znajekin prosessi, tunnistettiin 1970-luvulla, mutta se, mikä määrää säteen tehon ja kuinka paljon galaksi absorboi sen energiasta, on "vielä avoin ratkaisematon ongelma", Narayan sanoi. Galaktinen tuuli, joka lähtee pallomaisesti akkretiolevystä ja pyrkii siten olemaan vuorovaikutuksessa galaksin kanssa suoremmin kuin kapeat suihkut, on vieläkin mystisempi. "Miljardin dollarin kysymys kuuluu: Miten energia kytkeytyy kaasuun?" sanoi Springel.
Yksi merkki siitä, että ongelma on edelleen olemassa, on se, että uusimpien kosmologisten simulaatioiden mustat aukot päätyvät pienempiä kuin joidenkin järjestelmien todellisten supermassiivisten mustien aukkojen havaitut koot. Tähtien muodostumisen pysäyttämiseksi ja punaisten ja kuolleiden galaksien luomiseksi simulaatioissa tarvitaan mustia aukkoja, jotka poistavat niin paljon energiaa, että ne tukahduttavat sisäänpäin suuntautuvan ainevirran, jotta mustat aukot lakkaavat kasvamasta. ”Simulaatioiden palaute on liian aggressiivista; se hidastaa kasvua ennenaikaisesti”, Natarajan sanoi.
Linnunrata on esimerkki päinvastaisesta ongelmasta: Simulaatiot ennustavat tyypillisesti, että sen kokoisessa galaksissa pitäisi olla 10–XNUMX kertaa suurempi musta aukko kuin Jousimies A*.
Tarkastelemalla Linnunrataa ja lähellä olevia galakseja tutkijat toivovat, että voimme alkaa selvittää tarkasti, miten AGN-palaute toimii.
Linnunradan ekosysteemi
Joulukuussa 2020 eROSITA-röntgenteleskoopin tutkijat ilmoittivat, että heillä oli huomasi parin kuplia joka ulottuu kymmeniä tuhansia valovuosia Linnunradan ylä- ja alapuolelle. Valtavat röntgenkuplat muistuttivat yhtä hämmentäviä gammasäteilykuplia, jotka 10 vuotta aiemmin Fermi-gammasäde-avaruusteleskooppi havaitsi galaksista lähtevän.
Kahdesta Fermi-kuplien alkuperäteoriasta keskusteltiin edelleen kiivaasti. Jotkut astrofyysikot ehdottivat, että ne olivat jäänne suihkusta, joka ampui Jousimies A*:sta miljoonia vuosia sitten. Toiset luulivat, että kuplat olivat monien galaktisen keskuksen lähellä räjähtävien tähtien kertynyttä energiaa – eräänlaista tähtien palautetta.
Kun Hsiang-Yi Karen Yang Taiwanin kansallisen Tsing Hua -yliopiston tutkija näki kuvan eROSITA-röntgenkupista, ja hän "alkoi hyppäämään ylös ja alas". Yangille oli selvää, että röntgensäteillä voi olla yhteinen alkuperä gammasäteiden kanssa, jos molemmat oli tuotettu samalla AGN-suihkulla. (Röntgensäteet olisivat peräisin Linnunradan iskukaasusta eikä itse suihkusta.) Yhdessä kirjoittajien kanssa Ellen Zweibel ja Mateusz Ruszkowski, hän ryhtyi rakentamaan tietokonemallia. Tulokset, julkaistu Luonnon astrofysiikka kuluneena keväänä ei vain jäljittele havaittujen kuplien muotoa ja kirkasta iskurintamaa, vaan ennusta, että ne muodostuivat 2.6 miljoonan vuoden aikana (laajentuen ulospäin suihkusta, joka oli aktiivinen 100,000 XNUMX vuotta) – aivan liian nopeasti ollakseen selittyy tähtien palautteella.
Löydös viittaa siihen, että AGN-palaute voi olla paljon tärkeämpää Linnunradan kaltaisissa pyörivissä kiekkogalakseissa kuin tutkijat ajattelivat. Esiin tuleva kuva on samanlainen kuin ekosysteemi, Yang sanoi, jossa AGN ja tähtien palaute kietoutuvat galakseja ympäröivään diffuusiin, kuumaan kaasuun, jota kutsutaan ympärigalaktiseksi väliaineeksi. Erilaiset tehosteet ja virtausmallit hallitsevat eri galaksityypeissä ja eri aikoina.
Tapaustutkimus Linnunradan menneisyydestä ja nykyisyydestä voisi paljastaa näiden prosessien vuorovaikutuksen. Esimerkiksi Euroopan Gaia-avaruusteleskooppi on kartoittanut miljoonien Linnunradan tähtien tarkat sijainnit ja liikkeet, minkä ansiosta astrofyysikot voivat jäljittää sen fuusioiden historiaa pienempien galaksien kanssa. Tällaisten fuusiotapahtumien on oletettu aktivoivan supermassiivisia mustia aukkoja ravistelemalla niihin ainetta, mikä saa ne yhtäkkiä kirkastumaan ja jopa laukaisemaan suihkuja. "Alalla käydään suurta keskustelua siitä, ovatko fuusiot tärkeitä vai eivät", Quataert sanoi. Gaian tähtitiedot ehdottaa että Linnunrata ei sulautunut Fermi- ja eROSITA-kuplien muodostumisen aikaan, mikä ei suosi fuusioita AGN-suihkukoneen laukaisimina.
Vaihtoehtoisesti kaasupilkut voivat vain sattua törmäämään mustaan aukkoon ja aktivoida sen. Se saattaa kaoottisesti vaihtaa syömisen, energian röyhtäilyn suihkujen ja galaktisten tuulien muodossa ja tauon välillä.
Event Horizon Telescope -teleskoopin äskettäinen kuva Jousimies A*:sta, joka paljastaa sen nykyisen putoavan aineen tihkumisen, esittelee uuden pulman ratkaistavaksi. Astrofyysikot tiesivät jo, että kaikki galaksiin vedetyt kaasut eivät pääse mustan aukon horisonttiin, koska galaktiset tuulet työntyvät ulospäin tätä kasautumisvirtausta vastaan. Mutta tuulen voimakkuus, joka tarvitaan selittämään tällainen erittäin kapeneva virtaus, on epärealistinen. "Kun teen simulaatioita, en näe valtavaa tuulta", sanoi Narayan. "Se ei ole sellaista tuulta, jota tarvitset täydelliseen selittämiseen siitä, mitä tapahtuu."
Sisäkkäiset simulaatiot
Osa galaksien toiminnan ymmärtämisen haastetta on valtava ero tähtien ja mustien aukkojen pituusasteikkojen ja kokonaisten galaksien ja niiden ympäristön asteikkojen välillä. Kun simuloidaan fyysistä prosessia tietokoneella, tutkijat valitsevat asteikon ja sisällyttävät asiaankuuluvat tehosteet siinä mittakaavassa. Mutta galakseissa suuret ja pienet efektit ovat vuorovaikutuksessa.
"Musta aukko on todella pieni verrattuna suureen galaksiin, etkä voi laittaa niitä kaikkia yhteen valtavaan simulaatioon", Narayan sanoi. "Jokainen hallinto tarvitsee tietoja toiselta kaverilta, mutta ei tiedä, kuinka muodostaa yhteys."
Yrittääkseen kuroa umpeen tätä kuilua Narayan, Natarajan ja kollegat käynnistävät projektin, joka käyttää sisäkkäisiä simulaatioita luodakseen yhtenäisen mallin siitä, miten kaasu virtaa Linnunradan ja lähellä olevan aktiivisen galaksin Messier 87:n läpi. galaksi kertoa mustalle aukolle, mitä tehdä, ja sitten annat mustasta aukosta peräisin olevan tiedon palata takaisin ja kertoa galaksille, mitä tehdä, Narayan sanoi. "Se on silmukka, joka kiertää ympäri ja ympäri."
Simulaatioiden pitäisi auttaa selventämään hajakaasun virtauskuviota galakseissa ja niiden ympärillä. (James Webbin avaruusteleskoopin suorittamat sirumgalaktisen aineen lisähavainnot auttavat myös.) "Se on kriittinen osa tätä koko ekosysteemiä", Quataert sanoi. "Kuinka saat kaasua alas mustaan aukkoon ohjaamaan kaiken energian, joka menee takaisin ulos?"
Ratkaisevaa on, että uudessa järjestelmässä kaikkien eri mittakaavaisten simulaatioiden välisten tulojen ja lähtöjen on oltava johdonmukaisia, jolloin vähemmän valitsimia tulee pyörittää. "Jos simulaatio on asetettu oikein, se päättää itse johdonmukaisesti, kuinka paljon kaasua tulisi päästä mustaan aukkoon", Narayan sanoi. "Voimme tarkastella sitä ja kysyä: Miksi se ei syönyt kaikkea kaasua? Miksi se oli niin nirso ja vei niin vähän saatavilla olevaa kaasua?" Ryhmä toivoo voivansa luoda sarjan tilannekuvia galakseista niiden evoluution eri vaiheissa.
Toistaiseksi paljon näistä galaktisista ekosysteemeistä on vielä arvailua. "Se on todella uusi aikakausi, jolloin ihmiset alkavat ajatella näitä päällekkäisiä skenaarioita", sanoi Yang. "Minulla ei ole selkeää vastausta, mutta toivottavasti saan muutaman vuoden kuluttua."
Toimittajan huomautus: Priya Natarajan toimii tällä hetkellä Quantan tieteellisessä neuvottelukunnassa.
