12. mai, på ni samtidige pressekonferanser rundt om i verden, astrofysikere avslørte det første bildet av det sorte hullet i hjertet av Melkeveien. Til å begynne med, selv om det var fantastisk, så det møysommelig produserte bildet av lysringen rundt galaksens sentrale mørkegrop ut til å bare bevise det eksperter allerede forventet: Melkeveiens supermassive sorte hull eksisterer, det snurrer og det adlyder Albert Einsteins generell relativitetsteori.
Og likevel, ved nærmere ettersyn, henger ikke ting helt sammen.
Fra lysstyrken til bagel av lys, har forskere anslått hvor raskt materie faller på Skytten A* - navnet gitt til Melkeveiens sentrale sorte hull. Svaret er: ikke raskt i det hele tatt. "Det er tett opp til en liten drypp," sa Priya Natarajan, en kosmolog ved Yale University, som sammenligner galaksen med et ødelagt dusjhode. På en eller annen måte er det bare en tusendel av saken renner ut i Melkeveien fra det omkringliggende intergalaktiske mediet gjør det hele veien ned og inn i hullet. "Det avslører et stort problem," sa Natarajan. «Hvor går denne gassen? Hva skjer med strømmen? Det er veldig tydelig at vår forståelse av vekst av svarte hull er mistenkelig."
I løpet av det siste kvart århundre har astrofysikere funnet ut hvilket tett, dynamisk forhold som eksisterer mellom mange galakser og de sorte hullene i deres sentre. "Det har vært en veldig stor overgang i feltet," sier Ramesh Narayan, en teoretisk astrofysiker ved Harvard University. "Overraskelsen var at sorte hull er viktige som formgivere og kontrollerende hvordan galakser utvikler seg."
Disse gigantiske hullene - konsentrasjoner av materie så tette at tyngdekraften hindrer til og med lys fra å slippe ut - er som motorene til galakser, men forskere begynner bare å forstå hvordan de fungerer. Tyngdekraften trekker støv og gass innover til det galaktiske senteret, hvor den danner en virvlende akkresjonsskive rundt det supermassive sorte hullet, varmes opp og blir til hvitglødende plasma. Så, når det sorte hullet oppsluker denne materien (enten i driblinger eller i plutselige utbrudd), blir energi spyttet tilbake ut i galaksen i en tilbakemeldingsprosess. "Når du dyrker et sort hull, produserer du energi og dumper den inn i omgivelsene mer effektivt enn gjennom noen annen prosess vi kjenner til i naturen," sa Eliot Quataert, en teoretisk astrofysiker ved Princeton University. Denne tilbakemeldingen påvirker stjernedannelseshastigheter og gassstrømningsmønstre i hele galaksen.
Men forskere har bare vage ideer om supermassive sorte hulls "aktive" episoder, som gjør dem til såkalte aktive galaktiske kjerner (AGN). «Hva er utløsende mekanisme? Hva er av-bryteren? Dette er de grunnleggende spørsmålene som vi fortsatt prøver å komme på, sa Kirsten Hall fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Stjernetilbakemelding, som oppstår når en stjerne eksploderer som en supernova, er kjent for å ha lignende effekter som AGN-tilbakemelding i mindre skala. Disse stjernemotorene er lett store nok til å regulere små "dverggalakser", mens bare de gigantiske motorene til supermassive sorte hull kan dominere utviklingen til de største "elliptiske" galaksene.
Størrelsesmessig ligger Melkeveien, en typisk spiralgalakse, i midten. Med få åpenbare tegn på aktivitet i sentrum, ble galaksen vår lenge antatt å være dominert av stjernetilbakemeldinger. Men flere nylige observasjoner tyder på at AGN-tilbakemeldinger former det også. Ved å studere detaljene i samspillet mellom disse tilbakemeldingsmekanismene i hjemmegalaksen vår – og kjempe med gåter som den nåværende dunkelheten til Sagittarius A* – håper astrofysikere å finne ut hvordan galakser og sorte hull utvikler seg sammen generelt. Melkeveien "blir det kraftigste astrofysiske laboratoriet," sa Natarajan. Ved å tjene som et mikrokosmos "kan den holde nøkkelen."
Galaktiske motorer
På slutten av 1990-tallet aksepterte astronomer generelt tilstedeværelsen av sorte hull i galaksenes sentre. Da kunne de se nær nok til disse usynlige objektene til å utlede massen deres fra bevegelsene til stjernene rundt dem. EN merkelig sammenheng dukket opp: Jo mer massiv en galakse er, desto tyngre er det sentrale sorte hullet. "Dette var spesielt stramt, og det var helt revolusjonerende. På en eller annen måte snakker det sorte hullet til galaksen," sa Tiziana Di Matteo, en astrofysiker ved Carnegie Mellon University.
Korrelasjonen er overraskende når du tenker på at det sorte hullet - stort som det er - er en liten brøkdel av galaksens størrelse. (Skytten A* veier for eksempel omtrent 4 millioner soler, mens Melkeveien måler rundt 1.5 billioner solmasser.) På grunn av dette trekker det sorte hullets tyngdekraft bare med noen styrke i det innerste området av galaksen.
For Martin Rees, Storbritannias Astronomer Royal, tilbød AGN-tilbakemeldinger en naturlig måte å koble det relativt lille sorte hullet til galaksen for øvrig. To tiår tidligere, på 1970-tallet, antok Rees korrekt at supermassive sorte hull driver de lysende jetflyene observert i noen fjerntliggende, sterkt glødende galakser kalt kvasarer. Han til og med foreslått, sammen med Donald Lynden-Bell, at et svart hull ville forklare hvorfor Melkeveiens sentrum gløder. Kan dette være tegn på et generelt fenomen som styrer størrelsen på supermassive sorte hull overalt?
Tanken var at jo mer materie et sort hull svelger, jo lysere blir det, og den økte energien og farten blåser gass utover. Til slutt stopper det ytre trykket gass fra å falle ned i det sorte hullet. – Det vil stoppe veksten. På en håndbølget måte var det resonnementet, sa Rees. Eller, med Di Matteos ord, "det sorte hullet spiser og deretter svelger." En veldig stor galakse legger mer vekt på det sentrale sorte hullet, noe som gjør det vanskeligere å blåse gass utover, og det sorte hullet vokser seg større før det svelger.
Likevel var få astrofysikere overbevist om at energien til innfallende materie kunne bli kastet ut på en så dramatisk måte. "Da jeg gjorde oppgaven min, var vi alle besatt av sorte hull som et punkt uten retur - bare gass som gikk inn," sa Natarajan, som hjalp til med å utvikle de første AGN-tilbakemeldingsmodellene som Rees' doktorgradsstudent. "Alle måtte gjøre det veldig forsiktig og forsiktig siden det var så radikalt."
Bekreftelsen av tilbakemeldingsideen kom noen år senere, fra datasimuleringer utviklet av Di Matteo og astrofysikerne Volker Springel og Lars Hernquist. "Vi ønsket å reprodusere den fantastiske dyrehagen av galakser som vi ser i det virkelige universet," sa Di Matteo. De kjente det grunnleggende bildet: Galakser starter små og tette i det tidlige universet. Sving klokken fremover og tyngdekraften knuser disse dvergene sammen i en flamme av spektakulære fusjoner, som danner ringer, boblebad, sigarer og alle former i mellom. Galakser vokser i størrelse og variasjon til de etter nok kollisjoner blir store og jevne. "Det ender opp i en blob," sa Di Matteo. I simuleringene kunne hun og kollegene gjenskape disse store trekkløse klattene, kalt elliptiske galakser, ved å slå sammen spiralgalakser mange ganger. Men det var et problem.
Mens spiralgalakser som Melkeveien har mange unge stjerner som lyser blått, inneholder gigantiske elliptiske galakser bare svært gamle stjerner som lyser rødt. "De er røde og døde," sa Springel, fra Max Planck Institute for Astrophysics i Garching, Tyskland. Men hver gang teamet kjørte simuleringen sin, spyttet det ut elliptiske strender som lyste blått. Uansett hva som slo av stjernedannelsen hadde ikke blitt fanget opp i datamaskinmodellen deres.
Så, sa Springel, "vi hadde ideen om å utvide galaksesammenslåingene våre med supermassive sorte hull i sentrum. Vi lot disse sorte hullene svelge gass og frigjøre energi til det hele fløy fra hverandre, som en trykkokergryte. Plutselig ville den elliptiske galaksen stoppe stjernedannelsen og bli rød og død."
"Keven min falt," la han til. "Vi forventet ikke at [effekten] skulle være så ekstrem."
Ved å reprodusere røde og døde elliptiske strøk, støttet simuleringen tilbakemeldingsteoriene om svarte hull til Rees og Natarajan. Et svart hull, til tross for sin relativt lille størrelse, kan snakke med galaksen som helhet gjennom tilbakemelding. I løpet av de siste to tiårene har datamodellene blitt raffinert og utvidet for å simulere store deler av kosmos, og de samsvarer stort sett med den eklektiske galakse-zoo vi ser rundt oss. Disse simuleringene viser også at utkastet energi fra sorte hull fyller rommet mellom galakser med varm gass som ellers allerede burde ha blitt avkjølt og blitt til stjerner. "Folk er nå overbevist om at supermassive sorte hull er veldig plausible motorer," sa Springel. "Ingen har kommet opp med en vellykket modell uten sorte hull."
Tilbakemeldingers mysterier
Likevel er datasimuleringene fortsatt overraskende sløve.
Når materie kryper innover til akkresjonsskiven rundt et sort hull, fører friksjon til at energi blir presset ut igjen; mengden energi som går tapt på denne måten er noe koderne legger inn i simuleringene sine for hånd gjennom prøving og feiling. Det er et tegn på at detaljene fortsatt er unnvikende. "Det er en mulighet for at vi i noen tilfeller får det riktige svaret av feil grunn," sa Quataert. "Kanskje vi ikke fanger opp det som faktisk er det viktigste med hvordan sorte hull vokser og hvordan de dumper energi inn i omgivelsene."
Sannheten er at astrofysikere egentlig ikke vet hvordan AGN-feedback fungerer. – Vi vet hvor viktig det er. Men det unnslipper oss nøyaktig hva som forårsaker denne tilbakemeldingen," sa Di Matteo. "Nøkkelen, nøkkelproblemet er at vi ikke forstår tilbakemeldinger dypt, fysisk."
De vet at noe energi sendes ut som stråling, noe som gir sentrene til aktive galakser deres karakteristiske lyse glød. Sterke magnetiske felt får også materie til å fly ut fra akkresjonsskiven, enten som diffuse galaktiske vinder eller i kraftige smale stråler. Mekanismen som svarte hull antas å lansere jetfly, kalt Blandford-Znajek prosess, ble identifisert på 1970-tallet, men det som bestemmer strålens kraft, og hvor mye av energien som blir absorbert av galaksen, er "fortsatt et åpent uløst problem," sa Narayan. Den galaktiske vinden, som kommer sfærisk fra akkresjonsskiven og derfor har en tendens til å samhandle mer direkte med galaksen enn de smale strålene, er enda mer mystisk. "Milliardspørsmålet er: Hvordan er energikoblingen til gassen?" sa Springel.
Et tegn på at det fortsatt er et problem er at de sorte hullene i toppmoderne kosmologiske simuleringer ender opp mindre enn de observerte størrelsene på ekte supermassive sorte hull i noen systemer. For å slå av stjernedannelsen og lage røde og døde galakser, trenger simuleringene sorte hull for å støte ut så mye energi at de kveler den indre fluksen av materie, slik at de sorte hullene slutter å vokse. «Tilbakemeldingene i simuleringene er for aggressive; det hemmer veksten for tidlig, sa Natarajan.
Melkeveien eksemplifiserer det motsatte problemet: Simuleringer forutsier vanligvis at en galakse av dens størrelse bør ha et svart hull mellom tre og 10 ganger større enn Skytten A* er.
Ved å ta en nærmere titt på Melkeveien og nærliggende galakser, håper forskerne at vi kan begynne å avdekke nøyaktig hvordan AGN-tilbakemeldinger fungerer.
Melkeveiens økosystem
I desember 2020 rapporterte forskere med røntgenteleskopet eROSITA at de hadde oppdaget et par bobler som strekker seg titusenvis av lysår over og under Melkeveien. De enorme boblene med røntgenstråler lignet like forvirrende bobler av gammastråler som 10 år tidligere oppdaget Fermi Gamma-ray Space Telescope fra galaksen.
To opprinnelsesteorier om Fermi-boblene ble fortsatt diskutert heftig. Noen astrofysikere antydet at de var en relikvie av et jetfly som skjøt ut av Skytten A* for millioner av år siden. Andre trodde at boblene var den akkumulerte energien til mange stjerner som eksploderte nær det galaktiske sentrum - en slags stjernetilbakemelding.
Når Hsiang-Yi Karen Yang ved National Tsing Hua University i Taiwan så bildet av eROSITA røntgenboblene, "begynte hun å hoppe opp og ned." Det var klart for Yang at røntgenstrålene kunne ha en felles opprinnelse med gammastrålene hvis begge ble generert av samme AGN-stråle. (Røntgenstrålene ville komme fra sjokkert gass i Melkeveien i stedet for fra selve jetflyet.) Sammen med medforfattere Ellen Zweibel og Mateusz Ruszkowski, begynte hun å bygge en datamodell. Resultatene, publisert i Naturens astrofysikk denne siste våren, ikke bare gjenskape formen til de observerte boblene og en lys sjokkfront, men forutsi at de ble dannet i løpet av 2.6 millioner år (ekspanderte utover fra en jetfly som var aktiv i 100,000 XNUMX år) - altfor raskt til å være forklart med strålende tilbakemeldinger.
Funnet tyder på at AGN-tilbakemelding kan være langt viktigere i løpende diskgalakser som Melkeveien enn forskere pleide å tro. Bildet som dukker opp er beslektet med et økosystem, sa Yang, der AGN og stjerners tilbakemelding er sammenvevd med den diffuse, varme gassen som omgir galakser, kalt det sirkumgalaktiske mediet. Ulike effekter og strømningsmønstre vil dominere i forskjellige galaksetyper og til forskjellige tider.
En casestudie av Melkeveiens fortid og nåtid kan avdekke samspillet mellom disse prosessene. Europas Gaia-romteleskop har for eksempel kartlagt de nøyaktige posisjonene og bevegelsene til millioner av Melkeveiens stjerner, slik at astrofysikere kan følge historien til sammenslåingene med mindre galakser. Slike fusjonshendelser har blitt antatt å aktivere supermassive sorte hull ved å riste materie inn i dem, noe som får dem til å plutselig bli lysere og til og med lansere jetfly. "Det er en stor debatt i feltet om fusjoner er viktige eller ikke," sa Quataert. Gaia-stjernedataene antyder at Melkeveien ikke gjennomgikk en sammenslåing på det tidspunktet Fermi- og eROSITA-boblene dannet seg, noe som misfornøyde fusjoner som utløserne av AGN-jetflyet.
Alternativt kan gassklatter tilfeldigvis kollidere med det sorte hullet og aktivere det. Det kan kaotisk bytte mellom å spise, rape ut energi som jetfly og galaktiske vinder, og pause.
Event Horizon Telescope sitt nylige bilde av Skytten A*, som avslører dens nåværende strøm av innfallende materie, presenterer et nytt puslespill å løse. Astrofysikere visste allerede at ikke all gassen som trekkes inn i en galakse vil komme til horisonten for det svarte hull, siden galaktiske vinder presser utover mot denne akkresjonsstrømmen. Men styrken på vindene som kreves for å forklare en så ekstremt avsmalnet strømning er urealistisk. "Når jeg gjør simuleringer, ser jeg ikke en stor vind," sa Narayan. "Det er ikke den typen vind du trenger for en fullstendig forklaring på hva som skjer."
Nestede simuleringer
En del av utfordringen med å forstå hvordan galakser fungerer, er den enorme forskjellen mellom lengdeskalaene som er i spill i stjerner og sorte hull og skalaene til hele galakser og deres omgivelser. Når man simulerer en fysisk prosess på en datamaskin, velger forskere en skala og inkluderer relevante effekter i den skalaen. Men i galakser samhandler store og små effekter.
"Det sorte hullet er virkelig lite, sammenlignet med den store galaksen, og du kan ikke sette dem alle i en eneste enorm simulering," sa Narayan. "Hvert regime trenger informasjon fra den andre fyren, men vet ikke hvordan de skal opprette forbindelsen."
For å prøve å bygge bro over dette gapet, lanserer Narayan, Natarajan og kollegene et prosjekt som vil bruke nestede simuleringer for å bygge en sammenhengende modell av hvordan gass strømmer gjennom Melkeveien og den nærliggende aktive galaksen Messier 87. «Du lar informasjon komme fra galaksen for å fortelle det sorte hullet hva de skal gjøre, og så lar du informasjonen fra det sorte hullet gå tilbake og fortelle galaksen hva den skal gjøre,» sa Narayan. "Det er en løkke som går rundt og rundt og rundt."
Simuleringene skal bidra til å klargjøre strømningsmønsteret til den diffuse gassen i og rundt galakser. (Ytterligere observasjoner av det sirkumgalaktiske mediet av James Webb-romteleskopet vil også hjelpe.) "Det er en kritisk del av hele dette økosystemet," sa Quataert. "Hvordan får du gassen ned til det sorte hullet for å drive all energien som går ut igjen?"
Avgjørende, i det nye opplegget, må alle innganger og utganger mellom simuleringer av forskjellige skalaer være konsistente, slik at færre ringer kan svinge. "Hvis simuleringen er satt opp riktig, vil den konsekvent bestemme hvor mye gass som skal nå det sorte hullet," sa Narayan. «Vi kan se nærmere på det og spørre: Hvorfor spiste det ikke all gassen? Hvorfor var det så masete og tok så lite av den tilgjengelige gassen?» Gruppen håper å lage en serie øyeblikksbilder av galaksene under ulike faser av deres utvikling.
Foreløpig er mye om disse galaktiske økosystemene fortsatt en anelse. "Det er virkelig en ny æra, hvor folk begynner å tenke på disse overlappende scenariene," sa Yang. "Jeg har ikke et klart svar, men jeg håper jeg vil gjøre det om noen år."
Redaktørens notat: Priya Natarajan sitter for tiden i Quantas vitenskapelige rådgivende styre.
