Pe 12 mai, la nouă conferințe de presă simultane în întreaga lume, astrofizicieni a dezvăluit prima imagine a găurii negre din inima Căii Lactee. La început, oricât de grozav a fost, imaginea produsă cu minuțiozitate a inelului de lumină din jurul gropii centrale de întuneric a galaxiei noastre părea să dovedească doar ceea ce se așteptau deja experții: gaura neagră supermasivă a Căii Lactee există, se învârte și se supune lui Albert Einstein. teoria generală a relativității.
Și totuși, la o inspecție mai atentă, lucrurile nu prea se strâng.
Din luminozitatea covrigilor de lumină, cercetătorii au estimat cat de repede materia cade pe Săgetător A* - numele dat găurii negre centrale a Căii Lactee. Răspunsul este: deloc repede. „Este înfundat până la un pic de apă”, a spus Priya Natarajan, un cosmolog de la Universitatea Yale, comparând galaxia cu un duș spart. Cumva, doar o miime din chestiune care se varsă în Calea Lactee din mediul intergalactic înconjurător ajunge până în jos și în gaură. „Asta dezvăluie o problemă uriașă”, a spus Natarajan. „Unde se duce acest gaz? Ce se întâmplă cu fluxul? Este foarte clar că înțelegerea noastră despre creșterea găurii negre este suspectă.”
În ultimul sfert de secol, astrofizicienii au ajuns să recunoască ce relație strânsă și dinamică există între multe galaxii și găurile negre din centrele lor. „A existat o tranziție foarte mare în domeniu”, spune Ramesh Narayan, un astrofizician teoretic la Universitatea Harvard. „Surpriza a fost că găurile negre sunt importante ca modelatori și controlori ai modului în care evoluează galaxiile.”
Aceste găuri uriașe – concentrații de materie atât de dense încât gravitația împiedică chiar și lumina să scape – sunt ca motoarele galaxiilor, dar cercetătorii abia încep să înțeleagă cum funcționează. Gravitația atrage praful și gazul spre centrul galactic, unde formează un disc de acreție învolburat în jurul găurii negre supermasive, încălzindu-se și transformându-se în plasmă încinsă. Apoi, atunci când gaura neagră învăluie această materie (fie în picături sau în explozii bruște), energia este scuipată înapoi în galaxie printr-un proces de feedback. „Când crești o gaură neagră, produci energie și o arunci în împrejurimi mai eficient decât prin orice alt proces pe care îl cunoaștem în natură”, a spus Eliot Quataert, un astrofizician teoretic la Universitatea Princeton. Acest feedback afectează ratele de formare a stelelor și modelele de flux de gaz în întreaga galaxie.
Dar cercetătorii au doar idei vagi despre episoadele „active” ale găurilor negre supermasive, care le transformă în așa-numitele nuclee galactice active (AGN). „Care este mecanismul de declanșare? Ce este întrerupătorul de oprire? Acestea sunt întrebările fundamentale la care încă încercăm să le ajungem”, a spus Kirsten Hall al Centrului Harvard-Smithsonian pentru Astrofizică.
Feedback-ul stelar, care apare atunci când o stea explodează ca o supernovă, este cunoscut că are efecte similare cu feedback-ul AGN la o scară mai mică. Aceste motoare stelare sunt suficient de mari pentru a regla galaxiile mici „pitice”, în timp ce doar motoarele gigantice ale găurilor negre supermasive pot domina evoluția celor mai mari galaxii „eliptice”.
În ceea ce privește dimensiunea, Calea Lactee, o galaxie spirală tipică, se află în mijloc. Cu puține semne evidente de activitate în centrul său, galaxia noastră a fost mult timp considerată a fi dominată de feedback-ul stelar. Dar mai multe observații recente sugerează că feedback-ul AGN îl modelează și el. Studiind detaliile interacțiunii dintre aceste mecanisme de feedback din galaxia noastră natală - și confruntându-se cu puzzle-uri precum întunecarea actuală a Săgetător A* - astrofizicienii speră să descopere cum coevoluează galaxiile și găurile negre în general. Calea Lactee „devine cel mai puternic laborator astrofizic”, a spus Natarajan. Servind ca un microcosmos, „poate deține cheia”.
Motoare Galactice
Până la sfârșitul anilor 1990, astronomii au acceptat în general prezența găurilor negre în centrele galaxiilor. Până atunci, ei puteau vedea suficient de aproape de aceste obiecte invizibile pentru a le deduce masa din mișcările stelelor din jurul lor. A a apărut o corelație ciudată: Cu cât o galaxie este mai masivă, cu atât mai grea gaura sa neagră centrală. „Acest lucru a fost deosebit de strâns și a fost total revoluționar. Cumva, gaura neagră vorbește cu galaxia”, a spus Tiziana Di Matteo, astrofizician la Universitatea Carnegie Mellon.
Corelația este surprinzătoare atunci când considerați că gaura neagră – oricât de mare este este – este o mică parte din dimensiunea galaxiei. (Săgetătorul A* cântărește aproximativ 4 milioane de sori, de exemplu, în timp ce Calea Lactee măsoară aproximativ 1.5 trilioane de mase solare.) Din această cauză, gravitația găurii negre trage cu orice putere doar regiunea cea mai interioară a galaxiei.
Pentru Martin Rees, astronomul regal al Regatului Unit, feedbackul AGN a oferit o modalitate naturală de a conecta gaura neagră relativ mică la galaxia în general. Cu două decenii mai devreme, în anii 1970, Rees a emis în mod corect ipoteza că găurile negre supermasive alimentează jeturile luminoase observat în unele galaxii îndepărtate, strălucitoare, numite quasari. El chiar propus, împreună cu Donald Lynden-Bell, că o gaură neagră ar explica de ce strălucește centrul Căii Lactee. Ar putea fi acestea semne ale unui fenomen general care guvernează dimensiunea găurilor negre supermasive de peste tot?
Ideea a fost că, cu cât o gaură neagră înghite mai multă materie, cu atât devine mai strălucitoare, iar energia și impulsul spori aruncă gaz spre exterior. În cele din urmă, presiunea exterioară oprește gazul să cadă în gaura neagră. „Asta va pune capăt creșterii. Într-un mod ondulat, acesta a fost raționamentul”, a spus Rees. Sau, în cuvintele lui Di Matteo, „gaura neagră mănâncă și apoi înghite”. O galaxie foarte mare pune mai multă greutate pe gaura neagră centrală, ceea ce face mai dificilă suflarea gazului spre exterior, și astfel gaura neagră crește înainte de a înghiți.
Cu toate acestea, puțini astrofizicieni erau convinși că energia materiei care intră în cădere ar putea fi ejectată într-un mod atât de dramatic. „Când îmi făceam teza, eram cu toții obsedați de găurile negre ca un punct de nereturn – doar intră gazul”, a spus Natarajan, care a ajutat la dezvoltarea primelor modele de feedback AGN în calitate de student absolvent al lui Rees. „Toată lumea a trebuit să o facă cu multă precauție și cu prudență, deoarece a fost atât de radical.”
Confirmarea ideii de feedback a venit câțiva ani mai târziu, din simulările computerizate dezvoltate de Di Matteo și astrofizicienii Volker Springel și Lars Hernquist. „Am vrut să reproducem uimitoarea grădină zoologică de galaxii pe care o vedem în universul real”, a spus Di Matteo. Ei cunoșteau imaginea de bază: galaxiile încep mici și dense în universul timpuriu. Dați ceasul înainte și gravitația îi zdrobește pe acești pitici într-un flăcări de fuziuni spectaculoase, formând inele, vârtejuri, trabucuri și orice formă între ele. Galaxiile cresc în dimensiune și varietate până când, după suficiente ciocniri, devin mari și netede. „Se sfârșește într-un blob”, a spus Di Matteo. În simulări, ea și colegii săi au putut recrea aceste bulburi mari fără caracteristici, numite galaxii eliptice, prin fuzionarea galaxiilor spirale de mai multe ori. Dar a fost o problemă.
În timp ce galaxiile spirale precum Calea Lactee au multe stele tinere care strălucesc albastru, galaxiile eliptice gigantice conțin doar stele foarte vechi care strălucesc roșu. „Sunt roșii și morți”, a spus Springel, de la Institutul Max Planck pentru Astrofizică din Garching, Germania. Dar de fiecare dată când echipa își executa simularea, scuipa eliptice care străluceau în albastru. Orice ar fi oprit formarea stelare nu a fost surprins în modelul lor computerizat.
Apoi, a spus Springel, „am avut ideea să creștem fuziunile galaxiilor noastre cu găuri negre supermasive în centru. Lăsăm aceste găuri negre să înghită gaz și să elibereze energie până când totul s-a destrămat, ca o oală sub presiune. Dintr-o dată, galaxia eliptică ar opri formarea stelelor și ar deveni roșie și moartă.”
„Mi-a căzut falca”, a adăugat el. „Nu ne așteptam ca [efectul] să fie atât de extrem.”
Prin reproducerea elipticelor roșii și moarte, simularea a susținut teoriile de feedback ale găurii negre ale lui Rees și Natarajan. O gaură neagră, în ciuda dimensiunii sale relativ mici, poate vorbi cu galaxia ca întreg prin feedback. De-a lungul ultimelor două decenii, modelele computerizate au fost rafinate și extinse pentru a simula zone mari ale cosmosului și se potrivesc în linii mari cu grădina zoologică galaxie eclectică pe care o vedem în jurul nostru. Aceste simulări arată, de asemenea, că energia ejectată din găurile negre umple spațiul dintre galaxii cu gaz fierbinte care altfel ar fi trebuit deja să se răcească și să se transforme în stele. „Oamenii sunt convinși până acum că găurile negre supermasive sunt motoare foarte plauzibile”, a spus Springel. „Nimeni nu a venit cu un model de succes fără găuri negre.”
Misterele Feedback-ului
Cu toate acestea, simulările pe computer sunt încă surprinzător de clare.
Pe măsură ce materia se strecoară spre interiorul discului de acreție în jurul unei găuri negre, frecarea face ca energia să fie împinsă înapoi în afară; cantitatea de energie pierdută în acest fel este ceva ce codificatorii pun manual în simulările lor prin încercare și eroare. Este un semn că detaliile sunt încă evazive. „Există posibilitatea ca, în unele cazuri, să primim răspunsul corect pentru un motiv greșit”, a spus Quataert. „Poate că nu surprindem ceea ce este de fapt cel mai important lucru despre cum cresc găurile negre și cum aruncă energie în mediul înconjurător.”
Adevărul este că astrofizicienii nu știu cu adevărat cum funcționează feedback-ul AGN. „Știm cât de important este. Dar ne scapă exact ceea ce provoacă acest feedback”, a spus Di Matteo. „Problema cheie este că nu înțelegem profund feedback-ul, fizic.”
Ei știu că o parte de energie este emisă ca radiație, ceea ce conferă centrelor galaxiilor active strălucirea lor strălucitoare caracteristică. Câmpurile magnetice puternice fac ca materia să zboare și din discul de acreție, fie ca vânturi galactice difuze, fie în jeturi înguste puternice. Mecanismul prin care se crede că găurile negre lansează jeturi, numit Procesul Blandford-Znajek, a fost identificat în anii 1970, dar ceea ce determină puterea fasciculului și cât de mult din energia sa este absorbită de galaxie, este „încă o problemă deschisă nerezolvată”, a spus Narayan. Vântul galactic, care emană sferic din discul de acreție și astfel tinde să interacționeze mai direct cu galaxia decât jeturile înguste, este și mai misterios. „Întrebarea de un miliard de dolari este: Cum este cuplarea energiei cu gazul?” spuse Springel.
Un semn că există încă o problemă este că găurile negre din simulările cosmologice de ultimă generație ajung să mai mici decât dimensiunile observate ale găurilor negre supermasive reale în unele sisteme. Pentru a opri formarea stelelor și pentru a crea galaxii roșii și moarte, simulările au nevoie de găuri negre pentru a ejecta atât de multă energie încât să sufoce fluxul interior al materiei, astfel încât găurile negre să înceteze să crească. „Feedback-ul din simulări este prea agresiv; împiedică creșterea prematur”, a spus Natarajan.
Calea Lactee exemplifică problema opusă: simulările prezic de obicei că o galaxie de dimensiunile sale ar trebui să aibă o gaură neagră între trei și 10 ori mai mare decât este Săgetătorul A*.
Privind mai atent Calea Lactee și galaxiile din apropiere, cercetătorii speră că putem începe să dezvăluim exact cum funcționează feedback-ul AGN.
Ecosistemul Calei Lactee
În decembrie 2020, cercetătorii cu telescopul cu raze X eROSITA au raportat că au avut a zărit o pereche de bule care se întinde pe zeci de mii de ani lumină deasupra și sub Calea Lactee. Vasele bule de raze X semănau cu bule la fel de derutante de raze gamma pe care, cu 10 ani mai devreme, Telescopul Spațial Fermi Gamma-ray le-a detectat emanând din galaxie.
Două teorii despre originea bulelor Fermi erau încă dezbătute aprins. Unii astrofizicieni au sugerat că ar fi fost o relicvă a unui avion care a țâșnit din Săgetător A* cu milioane de ani în urmă. Alții au crezut că bulele sunt energia acumulată a multor stele care explodează în apropierea centrului galactic - un fel de feedback stelar.
Cand Hsiang-Yi Karen Yang de la Universitatea Națională Tsing Hua din Taiwan a văzut imaginea bulelor de raze X eROSITA, ea „a început să sară în sus și în jos”. Pentru Yang i-a fost clar că razele X ar putea avea o origine comună cu razele gamma dacă ambele erau generate de același jet AGN. (Razele X ar proveni din gazul șocat din Calea Lactee, mai degrabă decât din jetul în sine.) Împreună cu coautorii Ellen Zweibel și Mateusz Ruszkowski, ea s-a apucat de a construi un model de computer. Rezultatele, publicat în Astrofizica naturii în primăvara trecută, nu numai că au replicat forma bulelor observate și a unui front de șoc strălucitor, dar au prezis că acestea s-au format pe parcursul a 2.6 milioane de ani (expandându-se spre exterior dintr-un jet care a fost activ timp de 100,000 de ani) - mult prea repede pentru a fi explicat prin feedback stelar.
Descoperirea sugerează că feedback-ul AGN poate fi mult mai important în galaxiile de discuri comune, cum ar fi Calea Lactee, decât credeau cercetătorii. Imaginea care apare este asemănătoare cu cea a unui ecosistem, a spus Yang, în care AGN și feedback-ul stelar sunt împletite cu gazul difuz, fierbinte, care înconjoară galaxiile, numit mediu circumgalactic. Diferite efecte și modele de flux vor domina în diferite tipuri de galaxii și în momente diferite.
Un studiu de caz al trecutului și prezentului Căii Lactee ar putea dezvălui interacțiunea acestor procese. Telescopul spațial Gaia din Europa, de exemplu, a cartografiat pozițiile și mișcările precise a milioane de stele ale Căii Lactee, permițând astrofizicienilor să retragă istoria fuziunilor sale cu galaxii mai mici. S-a presupus că astfel de evenimente de fuziune activează găurile negre supermasive prin scuturarea materiei în ele, făcându-le să lumineze brusc și chiar să lanseze avioane. „Există o mare dezbatere în domeniu dacă fuziunile sunt sau nu importante”, a spus Quataert. Datele stelei Gaia sugerează ca Calea Lactee nu a suferit o fuziune in momentul in care s-au format bulele Fermi si eROSITA, defavorizand fuziunile ca declansatori ai jetului AGN.
Alternativ, stropi de gaz s-ar putea întâmpla să se ciocnească de gaura neagră și să o activeze. S-ar putea să treacă haotic între mâncare, eructare de energie sub formă de jeturi și vânturi galactice și pauză.
Imaginea recentă a Telescopului Event Horizon cu Săgetător A*, care dezvăluie actualul stropire de materie care intră, prezintă un nou puzzle de rezolvat. Astrofizicienii știau deja că nu tot gazul care este atras într-o galaxie va ajunge la orizontul găurii negre, deoarece vânturile galactice împing spre exterior împotriva acestui flux de acumulare. Dar puterea vântului necesară pentru a explica un astfel de flux extrem de conic este nerealistă. „Când fac simulări, nu văd un vânt uriaș”, a spus Narayan. „Nu este genul de vânt de care ai nevoie pentru o explicație completă a ceea ce se întâmplă.”
Simulări imbricate
O parte a provocării în înțelegerea modului în care funcționează galaxiile este diferența uriașă dintre scările de lungime aflate în joc în stele și găurile negre și scara galaxiilor întregi și a împrejurimilor lor. Atunci când simulează un proces fizic pe un computer, cercetătorii aleg o scară și includ efecte relevante la acea scară. Dar în galaxii, efectele mari și mici interacționează.
„Gaura neagră este cu adevărat mică, în comparație cu galaxia mare și nu le poți pune pe toate într-o singură simulare uriașă”, a spus Narayan. „Fiecare regim are nevoie de informații de la celălalt tip, dar nu știe cum să facă legătura.”
Pentru a încerca să reducă această decalaj, Narayan, Natarajan și colegii lansează un proiect care va folosi simulări imbricate pentru a construi un model coerent al modului în care gazul curge prin Calea Lactee și prin galaxia activă Messier 87 din apropiere. „Permiteți ca informațiile să vină din galaxiei să-i spună găurii negre ce să facă, iar apoi permiteți informațiilor din gaura neagră să se întoarcă și să-i spună galaxiei ce să facă”, a spus Narayan. „Este o buclă care se învârte și se rotește.”
Simulările ar trebui să ajute la clarificarea modelului de curgere al gazului difuz în interiorul și în jurul galaxiilor. (Observațiile ulterioare ale mediului circumgalactic de către telescopul spațial James Webb vor ajuta, de asemenea.) „Aceasta este o parte critică a întregului ecosistem”, a spus Quataert. „Cum cobori gazul în gaura neagră pentru a conduce toată energia care iese înapoi?”
În mod esențial, în noua schemă, toate intrările și ieșirile dintre simulările de diferite scări trebuie să fie consecvente, lăsând mai puține cadrane să se răsucească. „Dacă simularea este configurată corect, va decide în mod auto-consecvent cât de mult gaz ar trebui să ajungă în gaura neagră”, a spus Narayan. „Putem să ne uităm în ea și să întrebăm: de ce nu a mâncat tot gazul? De ce a fost atât de agitat și a luat atât de puțin din gazul disponibil? Grupul speră să creeze o serie de instantanee ale galaxiilor în diferite faze ale evoluției lor.
Deocamdată, multe despre aceste ecosisteme galactice sunt încă o bănuială. „Este într-adevăr o nouă eră, în care oamenii încep să se gândească la aceste scenarii care se suprapun”, a spus Yang. „Nu am un răspuns clar, dar sper să o voi face peste câțiva ani.”
Nota editorului: Priya Natarajan face parte în prezent în consiliul consultativ științific al Quanta.
