Május 12-én kilenc egyidejű sajtótájékoztatón szerte a világon az asztrofizikusok felfedte az első képet a Tejútrendszer szívében lévő fekete lyukról. Először, bár félelmetes volt is, a galaxisunk központi sötétséggödrét körülvevő fénygyűrű gondosan előállított képe csak azt bizonyítja, amit a szakértők már vártak: a Tejútrendszer szupermasszív fekete lyukja létezik, forog, és engedelmeskedik Albert Einsteinnek. általános relativitáselmélet.
Mégis, ha közelebbről megvizsgáljuk, a dolgok nem egészen halmozódnak fel.
A fény bagel fényességéből a kutatók megbecsülték milyen gyorsan az anyag a Sagittarius A*-ra esik – a Tejútrendszer központi fekete lyukának elnevezése. A válasz: egyáltalán nem gyorsan. "Egy kis szivárgásig eltömődött" - mondta Priya Natarajan, a Yale Egyetem kozmológusa a galaxist egy törött zuhanyfejhez hasonlítja. Valahogy csak ezredrésze az ügynek a Tejútba ömlik a környező intergalaktikus közegből egészen lefelé és a lyukba jut. „Ez hatalmas problémát tár fel” – mondta Natarajan. „Hová megy ez a gáz? Mi történik az áramlással? Nagyon világos, hogy a fekete lyukak növekedésével kapcsolatos felfogásunk gyanús.”
Az elmúlt negyedszázad során az asztrofizikusok felismerték, milyen szoros, dinamikus kapcsolat van sok galaxis és a központjukban lévő fekete lyukak között. „Igazán hatalmas átalakulás ment végbe a területen” – mondja Ramesh Narayan, a Harvard Egyetem elméleti asztrofizikusa. "A meglepetés az volt, hogy a fekete lyukak fontos szerepet játszanak a galaxisok fejlődésének alakítói és irányítóiként."
Ezek az óriási lyukak – olyan sűrű anyagkoncentrációk, hogy a gravitáció még a fényt is megakadályozza – olyanok, mint a galaxisok motorjai, de a kutatók még csak most kezdik megérteni, hogyan működnek. A gravitáció befelé vonzza a port és a gázt a galaktikus központba, ahol örvénylő akkréciós korongot képez a szupermasszív fekete lyuk körül, felmelegszik és fehéren izzó plazmává változik. Aztán, amikor a fekete lyuk elnyeli ezt az anyagot (akár cseppekben, akár hirtelen kitörésekben), az energia visszacsatolási folyamatként visszaköpődik a galaxisba. "Amikor fekete lyukat növesztesz, akkor energiát termelsz, és hatékonyabban juttatod el a környezetbe, mint bármely más, általunk ismert természeti folyamaton keresztül" Eliot Quataert, a Princetoni Egyetem elméleti asztrofizikusa. Ez a visszacsatolás hatással van a csillagkeletkezés sebességére és a gázáramlási mintázatokra az egész galaxisban.
A kutatóknak azonban csak homályos elképzeléseik vannak a szupermasszív fekete lyukak „aktív” epizódjairól, amelyek úgynevezett aktív galaktikus atommagokká (AGN) alakítják őket. „Mi a kiváltó mechanizmus? Mi az a kikapcsoló? Ezek azok az alapvető kérdések, amelyeket még mindig megpróbálunk megválaszolni” – mondta Kirsten Hall a Harvard-Smithsonian Asztrofizikai Központtól.
A csillagok visszacsatolása, amely akkor jön létre, amikor egy csillag szupernóvaként felrobban, ismert, hogy kisebb léptékben hasonló hatással bír, mint az AGN visszacsatolása. Ezek a csillagmotorok könnyen elég nagyok ahhoz, hogy szabályozzák a kis „törpe” galaxisokat, míg a legnagyobb „elliptikus” galaxisok fejlődését csak a szupermasszív fekete lyukak óriási motorjai képesek uralni.
Méreteit tekintve a Tejútrendszer, egy tipikus spirálgalaxis, középen ül. Mivel a középpontjában kevés nyilvánvaló tevékenység jele van, galaxisunkat sokáig úgy gondolták, hogy a csillagok visszacsatolása uralja. De számos közelmúltbeli megfigyelés azt sugallja, hogy az AGN visszacsatolás ezt is alakítja. Az asztrofizikusok abban reménykednek, hogy az otthoni galaxisunkban e visszacsatolási mechanizmusok közötti kölcsönhatás részleteit tanulmányozva – és olyan rejtvényekkel küszködve, mint a Sagittarius A* jelenlegi homálya – az asztrofizikusok azt remélik, hogy rájönnek, hogyan fejlődnek együtt a galaxisok és a fekete lyukak általában. A Tejút „a legerősebb asztrofizikai laboratóriummá válik” – mondta Natarajan. Azáltal, hogy mikrokozmoszként szolgál, „tarthatja a kulcsot”.
Galaktikus motorok
Az 1990-es évek végére a csillagászok általánosságban elfogadták a fekete lyukak jelenlétét a galaxisok központjában. Addigra már elég közel láttak ezekhez a láthatatlan objektumokhoz ahhoz, hogy tömegükre a körülöttük lévő csillagok mozgásából következtessenek. A furcsa összefüggés alakult ki: Minél nagyobb egy galaxis tömege, annál nehezebb a központi fekete lyuk. „Ez különösen szoros volt, és teljesen forradalmi volt. Valahogy a fekete lyuk beszél a galaxissal” – mondta Tiziana Di Matteo, a Carnegie Mellon Egyetem asztrofizikusa.
Az összefüggés meglepő, ha figyelembe vesszük, hogy a fekete lyuk – bármilyen nagy is – a galaxis méretének elenyésző töredéke. (Például a Sagittarius A* tömege nagyjából 4 millió nap, míg a Tejútrendszer körülbelül 1.5 billió naptömegű.) Emiatt a fekete lyuk gravitációja csak a galaxis legbelső régióját húzza bármilyen erővel.
Martin Reesnek, az Egyesült Királyság királyi csillagászának az AGN visszajelzései természetes módot kínáltak a viszonylag apró fekete lyuk és a galaxis egészének összekapcsolására. Két évtizeddel korábban, az 1970-es években Rees helyesen feltételezte, hogy szupermasszív fekete lyukak táplálja a világító fúvókákat megfigyelhető néhány távoli, fényesen izzó galaxisban, amelyet kvazároknak neveznek. Még ő is javasoltDonald Lynden-Bell-lel együtt, hogy egy fekete lyuk megmagyarázná, miért világít a Tejútrendszer közepe. Lehetnek ezek egy általános jelenség jelei, amely mindenhol szabályozza a szupermasszív fekete lyukak méretét?
Az ötlet az volt, hogy minél több anyagot nyel le egy fekete lyuk, annál világosabbá válik, és a megnövekedett energia és lendület gázt fúj kifelé. Végül a kifelé irányuló nyomás megakadályozza, hogy a gáz a fekete lyukba essen. „Ez leállítja a növekedést. Kézzel hullámzó módon ez volt az érvelés” – mondta Rees. Vagy Di Matteo szavaival élve: „a fekete lyuk eszik, majd lenyeli”. Egy nagyon nagy galaxis nagyobb súlyt helyez a központi fekete lyukra, ami megnehezíti a gáz kifújását, így a fekete lyuk nagyobbra nő, mielőtt elnyelné.
Mégis kevés asztrofizikus volt meggyõzõdve arról, hogy a beáramló anyag energiája ilyen drámai módon kilökhetõ. „A szakdolgozatom elkészítésekor mindannyian a fekete lyukak megszállottjai voltunk, mint ahonnan nincs visszaút – csak gáz folyik be” – mondta Natarajan, aki Rees végzős hallgatójaként segített kidolgozni az első AGN visszacsatolási modelleket. "Mindenkinek nagyon óvatosan és óvatosan kellett csinálnia, mivel olyan radikális volt."
A visszacsatolási ötlet néhány évvel később megerősítést nyert a Di Matteo és az asztrofizikusok által kifejlesztett számítógépes szimulációkból. Volker Springel és a Lars Hernquist. „Szerettük reprodukálni azt a csodálatos galaxis állatkertet, amelyet a valós univerzumban látunk” – mondta Di Matteo. Ismerték az alapképet: a galaxisok kicsiben és sűrűn indulnak ki a korai univerzumban. Tekerje előre az órát, és a gravitáció összetöri ezeket a törpéket egy látványos összeolvadásban, gyűrűket, örvényeket, szivarokat és minden formát alkotva a kettő között. A galaxisok mérete és változatossága addig nő, amíg elegendő ütközés után nagyok és simaak nem lesznek. „A végén egy folt lesz” – mondta Di Matteo. A szimulációk során kollégáival újra létrehozhatták ezeket a nagy, jellegtelen foltokat, az úgynevezett elliptikus galaxisokat a spirálgalaxisok sokszori egyesítésével. De volt egy probléma.
Míg az olyan spirálgalaxisokban, mint a Tejútrendszer, sok fiatal csillag van, amelyek kéken világítanak, az óriás elliptikus galaxisok csak nagyon régi csillagokat tartalmaznak, amelyek vörösen világítanak. „Vörösek és halottak” – mondta Springel, a németországi Garchingban működő Max Planck Asztrofizikai Intézet munkatársa. De minden alkalommal, amikor a csapat lefuttatta a szimulációt, kéken izzó ellipsziseket köpött ki. Bármi is kapcsolta ki a csillagkeletkezést, nem rögzítették a számítógépes modelljükben.
Aztán Springel azt mondta: „Az az ötletünk támadt, hogy a galaxis-egyesüléseinket szupermasszív fekete lyukakkal bővítsük a közepén. Hagyjuk, hogy ezek a fekete lyukak elnyeljék a gázt és energiát engedjenek fel, amíg az egész szét nem repül, akár egy gyorsfőző edény. Hirtelen az elliptikus galaxis leállítja a csillagkeletkezést, és vörössé és halottá válik.
„Leesett az állkapcsom” – tette hozzá. „Nem számítottunk arra, hogy [a hatás] ilyen szélsőséges lesz.”
Vörös-halott ellipszisek reprodukálásával, a szimuláció megerősítette Rees és Natarajan fekete lyuk visszacsatolási elméleteit. Egy fekete lyuk viszonylag kicsi mérete ellenére visszacsatoláson keresztül képes beszélni a galaxis egészével. Az elmúlt két évtizedben a számítógépes modelleket finomították és kibővítették, hogy a kozmosz nagy területeit szimulálják, és nagyjából megfelelnek a körülöttünk látható eklektikus galaxis állatkertnek. Ezek a szimulációk azt is mutatják, hogy a fekete lyukakból kilökődő energia forró gázzal tölti meg a galaxisok közötti teret, amelynek egyébként már le kellett volna hűlnie és csillagokká alakulnia. "Az emberek mára meg vannak győződve arról, hogy a szupermasszív fekete lyukak nagyon valószínű motorok" - mondta Springel. "Senki sem állt elő sikeres modellel fekete lyukak nélkül."
A visszajelzés rejtelmei
A számítógépes szimulációk azonban még mindig meglepően tompák.
Ahogy az anyag bekúszik a fekete lyuk körüli akkréciós koronghoz, a súrlódás hatására az energia visszaszorul; Az így elvesztett energia mennyiségét a kódolók saját kezűleg, próbálkozások és tévedések révén adják bele a szimulációikba. Ez annak a jele, hogy a részletek még mindig megfoghatatlanok. „Fennáll annak lehetősége, hogy bizonyos esetekben rossz okból kapjuk a megfelelő választ” – mondta Quataert. "Talán nem ragadjuk meg azt, ami valójában a legfontosabb a fekete lyukak növekedésében és a környezetükbe áramló energiában."
Az igazság az, hogy az asztrofizikusok nem igazán tudják, hogyan működik az AGN visszacsatolás. „Tudjuk, mennyire fontos. De pontosan ez okozza ezt a visszajelzést” – mondta Di Matteo. "A legfontosabb probléma az, hogy nem értjük mélyen, fizikailag a visszajelzéseket."
Tudják, hogy bizonyos energia sugárzásként bocsát ki, ami az aktív galaxisok központjainak jellegzetes fényes fényét adja. Az erős mágneses mezők hatására az akkréciós korongból is kiszáll az anyag, akár diffúz galaktikus szélként, akár erős keskeny sugárban. Azt a mechanizmust, amellyel a fekete lyukakról azt gondolják, hogy sugárhajtásokat indítanak el, az úgynevezett Blandford-Znajek folyamat, az 1970-es években azonosították, de az, hogy mi határozza meg a sugár erejét, és hogy energiájának mekkora részét nyeli el a galaxis, „még mindig nyitott megoldatlan probléma” – mondta Narayan. Még titokzatosabb a galaktikus szél, amely az akkréciós korongból gömbszerűen kiáramlik, és így hajlamos közvetlenebb kölcsönhatásba lépni a galaxissal, mint a keskeny sugarak. "A milliárd dolláros kérdés a következő: Hogyan kapcsolódik az energia a gázhoz?" – mondta Springel.
Az egyik jele annak, hogy továbbra is probléma van, az, hogy a legmodernebb kozmológiai szimulációkban a fekete lyukak véget érnek kisebb mint a valódi szupermasszív fekete lyukak megfigyelt méretei egyes rendszerekben. A csillagkeletkezés kikapcsolásához és a vörös-halott galaxisok létrehozásához a szimulációkhoz fekete lyukakra van szükség, amelyek annyi energiát bocsátanak ki, hogy elfojtják a befelé irányuló anyagáramlást, így a fekete lyukak növekedése leáll. „A szimulációkban a visszacsatolás túl agresszív; idő előtt elgátolja a növekedést” – mondta Natarajan.
A Tejútrendszer az ellenkező problémát szemlélteti: a szimulációk általában azt jósolják, hogy egy ekkora galaxisban három-tízszer nagyobb fekete lyukkal kell rendelkeznie, mint a Sagittarius A*.
A Tejútrendszer és a közeli galaxisok alaposabb vizsgálatával a kutatók azt remélik, hogy elkezdhetjük feltárni az AGN visszacsatolás pontos működését.
Tejút ökoszisztéma
2020 decemberében az eROSITA röntgenteleszkóppal dolgozó kutatók arról számoltak be, hogy igen észrevett egy pár buborékot több tízezer fényévnyire húzódik a Tejútrendszer felett és alatt. A hatalmas röntgenbuborékok ugyanolyan zavarba ejtő gamma-buborékokhoz hasonlítottak, amelyeket 10 évvel korábban a Fermi gammasugár-űrteleszkóp észlelt a galaxisból kisugárzódva.
A Fermi-buborékok két eredetelmélete még mindig heves vita folyt. Egyes asztrofizikusok azt javasolták, hogy egy sugárhajtás relikviáiról van szó, amely több millió évvel ezelőtt kilőtt a Sagittarius A*-ból. Mások azt gondolták, hogy a buborékok a galaktikus központ közelében felrobbanó csillagok felgyülemlett energiája – egyfajta csillag-visszacsatolás.
Amikor Hsiang-Yi Karen Yang A tajvani Tsing Hua Nemzeti Egyetem munkatársa meglátta az eROSITA röntgenbuborékok képét, és „fel-le ugrálni kezdett”. Yang számára világos volt, hogy a röntgensugárzásnak közös eredete lehet a gamma-sugarakkal, ha mindkettőt ugyanaz az AGN-sugár generálja. (A röntgensugarak inkább a Tejútrendszerben lévő sokkolt gázból származnának, nem pedig magából a sugárból.) A társszerzőkkel együtt Ellen Zweibel és a Mateusz Ruszkowski, nekilátott egy számítógépes modell felépítésének. Az eredmények, kiadva Természet asztrofizika az elmúlt tavasszal nemcsak megismétlik a megfigyelt buborékok alakját és a fényes lökésfrontot, hanem megjósolják, hogy 2.6 millió év alatt alakultak ki (kifelé tágulva egy 100,000 XNUMX évig aktív sugárból) – túl gyorsan ahhoz, csillagok visszajelzései magyarázzák.
A felfedezés azt sugallja, hogy az AGN visszacsatolása sokkal fontosabb lehet az olyan koronggalaxisokban, mint a Tejút, mint azt a kutatók gondolták. A kialakuló kép egy ökoszisztémához hasonlít, mondta Yang, ahol az AGN és a csillagok visszacsatolása összefonódik a galaxisokat körülvevő diffúz, forró gázzal, amelyet cirkumgalaktikus közegnek neveznek. A különböző hatások és áramlási minták dominálnak a különböző galaxistípusokban és különböző időpontokban.
A Tejútrendszer múltjának és jelenének esettanulmánya feltárhatja e folyamatok kölcsönhatását. Az európai Gaia űrteleszkóp például a Tejútrendszer csillagainak millióinak pontos helyzetét és mozgását térképezte fel, lehetővé téve az asztrofizikusok számára, hogy visszakövethessék a kisebb galaxisokkal való egyesülések történetét. Feltételezték, hogy az ilyen egyesülési események szupermasszív fekete lyukakat aktiválnak azáltal, hogy anyagot rázzanak beléjük, és hirtelen felvilágosodnak, és akár repülőgépeket is indítanak. "Nagy vita folyik ezen a területen arról, hogy az egyesülések fontosak-e vagy sem" - mondta Quataert. A Gaia csillagadatok javasolja hogy a Tejútrendszer nem egyesült abban az időben, amikor a Fermi- és az eROSITA-buborékok létrejöttek, és nem kedvezett az egyesüléseknek, mint az AGN-repülőgép kiváltójának.
Alternatív megoldásként előfordulhat, hogy gázfoltok ütköznek a fekete lyukkal, és aktiválják azt. Lehet, hogy kaotikusan vált az evés, az energia fúvókaként és galaktikus szélként való böfögés és a szünet között.
Az Event Horizon Telescope legutóbbi képe Sagittarius A*-ról, amely felfedi a beeső anyag jelenlegi szivárgását, egy új megoldandó rejtvényt mutat be. Az asztrofizikusok már tudták, hogy a galaxisba beszívott gáz nem mindegyike jut el a fekete lyuk horizontjáig, mivel a galaktikus szelek kifelé nyomulnak ezzel az akkréciós áramlással szemben. De a szél erőssége, amely megmagyarázza ezt a rendkívül szűk áramlást, irreális. „Amikor szimulációkat végzek, nem látok hatalmas szelet” – mondta Narayan. "Nem az a fajta szél, amelyre szükséged van ahhoz, hogy teljes magyarázatot adj arról, hogy mi történik."
Beágyazott szimulációk
A galaxisok működésének megértésében rejlő kihívás része a csillagokban és fekete lyukakban játszódó hosszskálák, valamint az egész galaxisok és környezetük léptéke közötti óriási különbség. Amikor egy fizikai folyamatot számítógépen szimulálnak, a kutatók kiválasztanak egy skálát, és belefoglalják a releváns hatásokat abba a léptékbe. De a galaxisokban a nagy és kicsi effektusok kölcsönhatásban vannak.
"A fekete lyuk valóban kicsi a nagy galaxishoz képest, és nem lehet őket egyetlen hatalmas szimulációba helyezni" - mondta Narayan. „Minden rezsimnek szüksége van információra a másik fickótól, de nem tudja, hogyan kell kapcsolatot teremteni.”
Ennek a szakadéknak az áthidalására Narayan, Natarajan és munkatársai olyan projektet indítanak, amely beágyazott szimulációk segítségével koherens modellt állít fel arra vonatkozóan, hogy a gáz hogyan áramlik át a Tejútrendszeren és a közeli, aktív Messier 87 galaxison. „Engedélyezi, hogy a galaxist, hogy megmondja a fekete lyuknak, mit tegyen, majd engedi, hogy a fekete lyukból származó információ visszamenjen, és megmondja a galaxisnak, mit tegyen” – mondta Narayan. "Ez egy hurok, amely körbe-körbe jár."
A szimulációknak segíteniük kell a diffúz gáz áramlási mintázatának tisztázását a galaxisokban és azok körül. (A James Webb Űrteleszkóp által a cirkumgalaktikus közeg további megfigyelései szintén segítenek.) „Ez az egész ökoszisztéma kritikus része” – mondta Quataert. "Hogyan juttatod le a gázt a fekete lyukba, hogy az összes energiát visszavegye?"
Döntő fontosságú, hogy az új sémában a különböző léptékű szimulációk közötti összes bemenetnek és kimenetnek konzisztensnek kell lennie, kevesebb tárcsázást hagyva hátra. "Ha a szimulációt megfelelően állítják be, akkor következetesen eldönti, hogy mennyi gáznak kell eljutnia a fekete lyukba" - mondta Narayan. „Megnézhetjük, és megkérdezhetjük: Miért nem evett be minden gázt? Miért volt olyan nyűgös, és miért vett ki olyan keveset a rendelkezésre álló benzinből?” A csoport azt reméli, hogy egy sor pillanatfelvételt készítenek a galaxisokról fejlődésük különböző fázisaiban.
Egyelőre sok minden még csak sejtés ezekről a galaktikus ökoszisztémákról. "Ez valóban egy új korszak, amikor az emberek elkezdenek gondolkodni ezeken az átfedő forgatókönyveken" - mondta Yang. "Nincs egyértelmű válaszom, de remélem, néhány év múlva meglesz."
A szerkesztő megjegyzése: Priya Natarajan jelenleg a Quanta tudományos tanácsadó testületében dolgozik.
