Den 12 maj, vid nio samtidiga presskonferenser runt om i världen, astrofysiker visade den första bilden av det svarta hålet i hjärtat av Vintergatan. Till en början, hur fantastisk den än var, verkade den mödosamt producerade bilden av ljusringen runt vår galaxs centrala mörkergrop bara bevisa vad experter redan förväntade sig: Vintergatans supermassiva svarta hål existerar, det snurrar och det lyder Albert Einsteins allmän relativitetsteori.
Och ändå, vid närmare eftertanke, hänger det inte riktigt ihop.
Från ljusstyrkan hos bagel av ljus, har forskare uppskattat hur snabbt materia faller på Sagittarius A* - namnet som ges till Vintergatans centrala svarta hål. Svaret är: inte alls snabbt. "Det är igensatt till en liten rännil," sa Priya Natarajan, en kosmolog vid Yale University, som jämför galaxen med ett trasigt duschhuvud. På något sätt är det bara en tusendel av saken flyter ut i Vintergatan från det omgivande intergalaktiska mediet gör det hela vägen ner och in i hålet. "Det avslöjar ett stort problem," sa Natarajan. "Vart tar den här gasen vägen? Vad händer med flödet? Det är väldigt tydligt att vår förståelse av tillväxt av svarta hål är misstänkt.”
Under det senaste kvartsseklet har astrofysiker kommit att inse vilket tätt, dynamiskt förhållande som finns mellan många galaxer och de svarta hålen i deras centrum. "Det har skett en riktigt stor övergång på området," säger Ramesh Narayan, en teoretisk astrofysiker vid Harvard University. "Överraskningen var att svarta hål är viktiga som formgivare och kontroller av hur galaxer utvecklas."
Dessa gigantiska hål - koncentrationer av materia så täta att gravitationen hindrar till och med ljus från att fly - är som motorer i galaxer, men forskare har bara börjat förstå hur de fungerar. Tyngdkraften drar damm och gas inåt till det galaktiska centrumet, där den bildar en virvlande ackretionsskiva runt det supermassiva svarta hålet, som värms upp och förvandlas till vit-het plasma. Sedan, när det svarta hålet uppslukar den här materien (antingen i dugg och dyster eller i plötsliga skurar), spottas energi tillbaka ut i galaxen i en återkopplingsprocess. "När du odlar ett svart hål, producerar du energi och dumpar den i omgivningen mer effektivt än genom någon annan process vi känner till i naturen," sa Eliot Quataert, en teoretisk astrofysiker vid Princeton University. Denna återkoppling påverkar stjärnbildningshastigheter och gasflödesmönster i hela galaxen.
Men forskare har bara vaga idéer om supermassiva svarta håls "aktiva" episoder, som gör dem till så kallade aktiva galaktiska kärnor (AGN). "Vad är den utlösande mekanismen? Vad är avstängningsknappen? Det är de grundläggande frågorna som vi fortfarande försöker komma fram till”, sa Kirsten Hall från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Stjärnåterkoppling, som uppstår när en stjärna exploderar som en supernova, är känd för att ha liknande effekter som AGN-återkoppling i mindre skala. Dessa stjärnmotorer är lätt tillräckligt stora för att reglera små "dvärggalaxer", medan endast de jättemotorer av supermassiva svarta hål kan dominera utvecklingen av de största "elliptiska" galaxerna.
Storleksmässigt ligger Vintergatan, en typisk spiralgalax, i mitten. Med få uppenbara tecken på aktivitet i centrum ansågs vår galax länge domineras av stjärnfeedback. Men flera nya observationer tyder på att AGN-feedback formar det också. Genom att studera detaljerna i samspelet mellan dessa återkopplingsmekanismer i vår hemgalax – och brottas med pussel som den nuvarande dunkelheten hos Skytten A* – hoppas astrofysiker ta reda på hur galaxer och svarta hål utvecklas tillsammans i allmänhet. Vintergatan "blir det mest kraftfulla astrofysiska laboratoriet", sa Natarajan. Genom att fungera som ett mikrokosmos "kan det hålla nyckeln."
Galaktiska motorer
I slutet av 1990-talet accepterade astronomer i allmänhet förekomsten av svarta hål i galaxernas centra. Då kunde de se tillräckligt nära dessa osynliga föremål för att härleda deras massa från stjärnornas rörelser runt dem. A konstiga samband uppstod: Ju mer massiv en galax är, desto tyngre är dess centrala svarta hål. "Det här var särskilt tight, och det var helt revolutionerande. På något sätt talar det svarta hålet till galaxen”, sa Tiziana Di Matteo, en astrofysiker vid Carnegie Mellon University.
Korrelationen är förvånande när man betänker att det svarta hålet – stort som det är – är en knapp bråkdel av galaxens storlek. (Skytten A* väger till exempel ungefär 4 miljoner solar, medan Vintergatan mäter cirka 1.5 biljoner solmassor.) På grund av detta drar det svarta hålets gravitation bara med någon styrka i galaxens innersta område.
För Martin Rees, Storbritanniens Astronomer Royal, erbjöd AGN-feedback ett naturligt sätt att koppla det relativt lilla svarta hålet till galaxen i stort. Två decennier tidigare, på 1970-talet, antog Rees korrekt att supermassiva svarta hål driver de lysande strålarna observerades i några avlägsna, ljust glödande galaxer som kallas kvasarer. Han till och med föreslagen, tillsammans med Donald Lynden-Bell, att ett svart hål skulle förklara varför Vintergatans centrum lyser. Kan det här vara tecken på ett allmänt fenomen som styr storleken på supermassiva svarta hål överallt?
Tanken var att ju mer materia ett svart hål sväljer, desto ljusare blir det, och den ökade energin och farten blåser gasen utåt. Så småningom stoppar trycket utåt gas från att falla in i det svarta hålet. "Det kommer att stoppa tillväxten. På ett handvågigt sätt var det resonemanget”, sa Rees. Eller, med Di Matteos ord, "det svarta hålet äter och sväljer sedan." En mycket stor galax lägger mer vikt på det centrala svarta hålet, vilket gör det svårare att blåsa gas utåt, och så växer det svarta hålet större innan det sväljer.
Ändå var få astrofysiker övertygade om att energin från infallande materia kunde kastas ut på ett så dramatiskt sätt. "När jag gjorde mitt examensarbete var vi alla besatta av svarta hål som en punkt utan återvändo - bara gas som gick in", sa Natarajan, som hjälpte till att utveckla de första AGN-feedbackmodellerna som Rees doktorand. "Alla var tvungna att göra det väldigt försiktigt och försiktigt eftersom det var så radikalt."
Bekräftelsen av feedbackidén kom några år senare, från datorsimuleringar utvecklade av Di Matteo och astrofysikerna Volker Springel och Lars Hernquist. "Vi ville återskapa det fantastiska zoo av galaxer som vi ser i det verkliga universum," sa Di Matteo. De kände till grundbilden: Galaxer börjar små och täta i det tidiga universum. Vrid klockan framåt och tyngdkraften slår samman dessa dvärgar i en flamma av spektakulära sammanslagningar, bildar ringar, bubbelpooler, cigarrer och varje form däremellan. Galaxer växer i storlek och variation tills de efter tillräckligt många kollisioner blir stora och jämna. "Det slutar i en klump", sa Di Matteo. I simuleringarna kunde hon och hennes kollegor återskapa dessa stora särdragslösa klumpar, kallade elliptiska galaxer, genom att slå samman spiralgalaxer många gånger. Men det fanns ett problem.
Medan spiralgalaxer som Vintergatan har många unga stjärnor som lyser blått, innehåller jättelika elliptiska galaxer bara mycket gamla stjärnor som lyser rött. "De är röda och döda", säger Springel, från Max Planck Institute for Astrophysics i Garching, Tyskland. Men varje gång teamet körde sin simulering spottade det ut elliptiska linjer som glödde blått. Vad som än stängde av stjärnbildningen hade inte fångats i deras datormodell.
Sedan, sa Springel, "vi hade idén att utöka våra galaxsammanslagningar med supermassiva svarta hål i mitten. Vi lät dessa svarta hål svälja gas och frigöra energi tills det hela flög isär, som en tryckkokare. Plötsligt skulle den elliptiska galaxen stoppa stjärnbildningen och bli röd och död."
"Min käke tappade," tillade han. "Vi förväntade oss inte att [effekten] skulle vara så extrem."
Genom att reproducera röda och döda elliptiska sträckor, stärkte simuleringen de svarta håls feedback-teorierna för Rees och Natarajan. Ett svart hål kan, trots sin relativt lilla storlek, prata med galaxen som helhet genom feedback. Under de senaste två decennierna har datormodellerna förfinats och utökats för att simulera stora delar av kosmos, och de matchar i stort sett det eklektiska galaxzoo vi ser omkring oss. Dessa simuleringar visar också att utstött energi från svarta hål fyller utrymmet mellan galaxer med het gas som annars redan borde ha svalnat och förvandlats till stjärnor. "Människor är vid det här laget övertygade om att supermassiva svarta hål är mycket rimliga motorer," sa Springel. "Ingen har kommit på en framgångsrik modell utan svarta hål."
Feedbacks mysterier
Ändå är datorsimuleringarna fortfarande förvånansvärt trubbiga.
När materia kryper inåt till ansamlingsskivan runt ett svart hål, orsakar friktion energi att tryckas tillbaka ut; mängden energi som går förlorad på detta sätt är något som kodarna lägger i sina simuleringar för hand genom att trial and error. Det är ett tecken på att detaljerna fortfarande är svårfångade. "Det finns en möjlighet att vi i vissa fall får rätt svar av fel anledning," sa Quataert. "Kanske vi inte fångar det som faktiskt är det viktigaste med hur svarta hål växer och hur de dumpar energi i sin omgivning."
Sanningen är att astrofysiker inte riktigt vet hur AGN-feedback fungerar. "Vi vet hur viktigt det är. Men det undslipper oss exakt vad som orsakar denna feedback, säger Di Matteo. "Nyckelproblemet är att vi inte förstår feedback djupt, fysiskt."
De vet att viss energi sänds ut som strålning, vilket ger centra i aktiva galaxer deras karakteristiska ljusa glöd. Starka magnetfält får materia att flyga ut från ansamlingsskivan också, antingen som diffusa galaktiska vindar eller i kraftfulla smala jetstrålar. Mekanismen genom vilken svarta hål tros lansera jetstrålar, kallad Blandford-Znajek process, identifierades på 1970-talet, men det som bestämmer strålens kraft och hur mycket av dess energi som absorberas av galaxen är "fortfarande ett öppet olöst problem", sa Narayan. Den galaktiska vinden, som emanerar sfäriskt från ackretionsskivan och därför tenderar att interagera mer direkt med galaxen än de smala strålarna, är ännu mer mystisk. "Miljardfrågan är: Hur är energikopplingen till gasen?" sa Springel.
Ett tecken på att det fortfarande finns ett problem är att de svarta hålen i toppmoderna kosmologiska simuleringar hamnar mindre än de observerade storlekarna av verkliga supermassiva svarta hål i vissa system. För att stänga av stjärnbildningen och skapa röda och döda galaxer behöver simuleringarna svarta hål för att skjuta ut så mycket energi att de kväver det inre flödet av materia, så att de svarta hålen slutar växa. "Feedbacken i simuleringarna är för aggressiv; det hämmar tillväxten i förtid”, sa Natarajan.
Vintergatan exemplifierar det motsatta problemet: Simuleringar förutspår vanligtvis att en galax av dess storlek bör ha ett svart hål mellan tre och tio gånger större än Skytten A* är.
Genom att ta en närmare titt på Vintergatan och närliggande galaxer hoppas forskarna att vi kan börja reda ut exakt hur AGN-feedback fungerar.
Vintergatans ekosystem
I december 2020 rapporterade forskare med röntgenteleskopet eROSITA att de hade upptäckte ett par bubblor sträcker sig tiotusentals ljusår över och under Vintergatan. De enorma bubblorna av röntgenstrålar liknade lika förbryllande bubblor av gammastrålar som 10 år tidigare upptäckte Fermi Gamma-ray Space Telescope komma från galaxen.
Två ursprungsteorier om Fermi-bubblorna diskuterades fortfarande hett. Vissa astrofysiker föreslog att de var en kvarleva av ett jetplan som sköt ut ur Skytten A* för miljoner år sedan. Andra trodde att bubblorna var den ackumulerade energin från många stjärnor som exploderade nära det galaktiska centrumet - ett slags stjärnåterkoppling.
När Hsiang-Yi Karen Yang från National Tsing Hua University i Taiwan såg bilden av eROSITA röntgenbubblor, hon "började hoppa upp och ner." Det var tydligt för Yang att röntgenstrålarna kunde ha ett gemensamt ursprung med gammastrålarna om båda genererades av samma AGN-stråle. (Röntgenstrålningen skulle komma från chockad gas i Vintergatan snarare än från själva jetstrålen.) Tillsammans med medförfattare Ellen Zweibel och Mateusz Ruszkowski, började hon bygga en datormodell. Resultaten, som publicerades i Naturens astrofysik den senaste våren replikerar inte bara formen av de observerade bubblorna och en ljus stötfront, utan förutsäger att de bildades under loppet av 2.6 miljoner år (expanderade utåt från en jet som var aktiv i 100,000 XNUMX år) - alldeles för snabbt för att vara förklaras av fantastisk feedback.
Fyndet tyder på att AGN-återkoppling kan vara mycket viktigare i vanliga skivgalaxer som Vintergatan än vad forskare brukade tro. Den bild som dyker upp är besläktad med den av ett ekosystem, sade Yang, där AGN och stjärnfeedback är sammanflätade med den diffusa, heta gasen som omger galaxer, kallad det cirkumgalaktiska mediet. Olika effekter och flödesmönster kommer att dominera i olika galaxtyper och vid olika tidpunkter.
En fallstudie av Vintergatans förflutna och nutid skulle kunna avslöja samspelet mellan dessa processer. Europas rymdteleskop Gaia har till exempel kartlagt de exakta positionerna och rörelserna för miljoner av Vintergatans stjärnor, vilket gör det möjligt för astrofysiker att spåra historien om dess sammanslagning med mindre galaxer. Sådana sammanslagningshändelser har antagits aktivera supermassiva svarta hål genom att skaka in materia i dem, vilket får dem att plötsligt lysa upp och till och med starta jetplan. "Det finns en stor debatt på området om huruvida sammanslagningar är viktiga eller inte," sade Quataert. Gaias stjärndata föreslår att Vintergatan inte genomgick en sammanslagning vid den tidpunkt då Fermi- och eROSITA-bubblorna bildades, vilket missgynnade sammanslagningar som utlösare av AGN-jetplanet.
Alternativt kan gasklumpar bara råka kollidera med det svarta hålet och aktivera det. Det kan kaotiskt växla mellan att äta, rapa ut energi som jetstrålar och galaktiska vindar och att pausa.
Event Horizon Telescopes senaste bild av Skytten A*, som avslöjar dess nuvarande ström av infallande materia, presenterar ett nytt pussel att lösa. Astrofysiker visste redan att inte all gas som dras in i en galax kommer att ta sig till det svarta hålets horisont, eftersom galaktiska vindar trycker utåt mot detta ansamlingsflöde. Men styrkan på vindarna som krävs för att förklara ett sådant extremt avsmalnande flöde är orealistisk. "När jag gör simuleringar ser jag ingen stor vind", sa Narayan. "Det är inte den typ av vind du behöver för en fullständig förklaring av vad som händer."
Kapslade simuleringar
En del av utmaningen med att förstå hur galaxer fungerar är den enorma skillnaden mellan längdskalorna i spel i stjärnor och svarta hål och skalorna för hela galaxer och deras omgivningar. När man simulerar en fysisk process på en dator väljer forskarna en skala och inkluderar relevanta effekter i den skalan. Men i galaxer samverkar stora och små effekter.
"Det svarta hålet är verkligen litet, jämfört med den stora galaxen, och du kan inte lägga dem alla i en enda enorm simulering," sa Narayan. "Varje regim behöver information från den andra killen, men vet inte hur man gör kopplingen."
För att försöka överbrygga denna klyfta lanserar Narayan, Natarajan och kollegor ett projekt som kommer att använda kapslade simuleringar för att bygga en sammanhängande modell av hur gas strömmar genom Vintergatan och den närliggande aktiva galaxen Messier 87. "Du låter information komma från galaxen att tala om för det svarta hålet vad den ska göra, och sedan låter du informationen från det svarta hålet gå tillbaka och tala om för galaxen vad den ska göra," sa Narayan. "Det är en slinga som går runt och runt och runt."
Simuleringarna ska hjälpa till att klargöra flödesmönstret för den diffusa gasen i och runt galaxer. (Ytterligare observationer av det cirkumgalaktiska mediet av James Webb rymdteleskop kommer också att hjälpa.) "Det är en kritisk del av hela det här ekosystemet," sa Quataert. "Hur får man ner gasen till det svarta hålet för att driva all energi som går ut igen?"
Av avgörande betydelse, i det nya schemat, måste alla ingångar och utgångar mellan simuleringar av olika skalor vara konsekventa, vilket ger färre rattar att vrida. "Om simuleringen är korrekt inställd kommer den självständigt att bestämma hur mycket gas som ska nå det svarta hålet," sa Narayan. "Vi kan titta på det och fråga: Varför åt det inte upp all gas? Varför var det så kinkigt och tog så lite av den tillgängliga gasen?” Gruppen hoppas kunna skapa en serie ögonblicksbilder av galaxerna under olika faser av deras utveckling.
Än så länge är mycket om dessa galaktiska ekosystem fortfarande en aning. "Det är verkligen en ny era, där människor börjar tänka på dessa överlappande scenarier," sade Yang. "Jag har inget klart svar, men jag hoppas att jag gör det om några år."
Redaktörens anteckning: Priya Natarajan sitter för närvarande i Quantas vetenskapliga rådgivande styrelse.
