12 Mayıs'ta dünya çapındaki dokuz eş zamanlı basın toplantısında, astrofizikçiler İlk resmi ortaya çıkardı Samanyolu'nun kalbindeki kara deliğin görüntüsü. İlk başta, harika olsa da, galaksimizin merkezindeki karanlık çukurun etrafındaki ışık halkasının özenle üretilmiş görüntüsü, uzmanların zaten beklediğini kanıtlıyor gibiydi: Samanyolu'nun süper kütleli kara deliği var, dönüyor ve Albert Einstein'ınkine uyuyor. genel görelilik kuramı.
Yine de, daha yakından incelendiğinde, işler pek de üst üste binmiyor.
Araştırmacılar, ışığın simitinin parlaklığından tahmin ettiler ne kadar hızlı madde, Samanyolu'nun merkezi kara deliğine verilen isim olan Yay A*'ya düşüyor. Cevap: hiç hızlı değil. "Biraz damlama için tıkanmış," dedi Priya Natarajan, Yale Üniversitesi'nde bir kozmolog, galaksiyi kırık bir duş başlığına benzetiyor. Her nasılsa, meselenin sadece binde biri Samanyolu'na akan çevreleyen galaksiler arası ortamdan, onu aşağı ve deliğe kadar yapar. Natarajan, "Bu çok büyük bir sorunu ortaya koyuyor" dedi. "Bu gaz nereye gidiyor? Akışa ne oluyor? Kara delik büyümesi konusundaki anlayışımızın şüpheli olduğu çok açık.”
Geçtiğimiz çeyrek yüzyılda, astrofizikçiler, birçok gökada ile merkezlerindeki kara delikler arasında ne kadar sıkı, dinamik bir ilişkinin var olduğunu anlamaya başladılar. “Sahada gerçekten çok büyük bir geçiş oldu” diyor Ramesh NarayanHarvard Üniversitesi'nde teorik bir astrofizikçi. "Sürpriz, kara deliklerin galaksilerin nasıl evrimleştiğinin şekillendiricileri ve denetleyicileri olarak önemli olmasıydı."
Bu dev delikler - yerçekiminin ışığın bile kaçmasını önleyecek kadar yoğun madde konsantrasyonları - galaksilerin motorları gibidir, ancak araştırmacılar nasıl çalıştıklarını daha yeni anlamaya başlıyorlar. Yerçekimi, tozu ve gazı galaktik merkeze doğru çeker, burada süper kütleli kara deliğin etrafında dönen bir toplanma diski oluşturur, ısınır ve beyaz-sıcak plazmaya dönüşür. Ardından, kara delik bu maddeyi yuttuğunda (ya damlalar ve durgunluklarda ya da ani patlamalarda), bir geri besleme sürecinde enerji galaksiye geri püskürtülür. "Bir kara delik büyüttüğünüzde, doğada bildiğimiz herhangi bir işlemden daha verimli bir şekilde enerji üretiyor ve çevreye boşaltıyorsunuz" dedi. Eliot QuataertPrinceton Üniversitesi'nde teorik bir astrofizikçi olan Dr. Bu geri bildirim, galaksideki yıldız oluşum oranlarını ve gaz akış modellerini etkiler.
Ancak araştırmacıların, süper kütleli karadeliklerin onları sözde aktif galaktik çekirdeklere (AGN'ler) dönüştüren “aktif” bölümleri hakkında yalnızca belirsiz fikirleri var. “Tetikleme mekanizması nedir? Kapatma anahtarı nedir? Bunlar hala ulaşmaya çalıştığımız temel sorular” dedi. Kirsten Salonu Harvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi'nden Dr.
Bir yıldız bir süpernova olarak patladığında meydana gelen yıldız geri bildiriminin, daha küçük bir ölçekte AGN geri bildirimi ile benzer etkilere sahip olduğu bilinmektedir. Bu yıldız motorları, küçük "cüce" gökadaları düzenlemek için kolayca yeterince büyüktür, oysa yalnızca süper kütleli kara deliklerin dev motorları, en büyük "eliptik" gökadaların evrimine hükmedebilir.
Boyut olarak, tipik bir sarmal gökada olan Samanyolu ortada yer alır. Merkezinde birkaç belirgin aktivite belirtisi bulunan galaksimizin uzun zamandır yıldız geri bildiriminin hakim olduğu düşünülüyordu. Ancak son zamanlarda yapılan birkaç gözlem, AGN geri bildiriminin de onu şekillendirdiğini gösteriyor. Astrofizikçiler, kendi galaksimizdeki bu geri bildirim mekanizmaları arasındaki etkileşimin ayrıntılarını inceleyerek ve Yay A*'nın şu anki loşluğu gibi bulmacalarla boğuşarak, galaksilerin ve kara deliklerin genel olarak nasıl birlikte evrimleştiklerini çözmeyi umuyorlar. Natarajan, Samanyolu'nun "en güçlü astrofizik laboratuvarı haline geldiğini" söyledi. Bir mikro kozmos görevi görerek “anahtar tutabilir”.
Galaktik Motorlar
1990'ların sonunda, gökbilimciler genellikle galaksilerin merkezlerinde kara deliklerin varlığını kabul ettiler. O zamana kadar bu görünmez cisimleri, kütlelerini etraflarındaki yıldızların hareketlerinden çıkarabilecek kadar yakın görebiliyorlardı. A garip korelasyon ortaya çıktı: Bir galaksi ne kadar büyükse, merkezi kara deliği o kadar ağırdır. “Bu özellikle sıkıydı ve tamamen devrim niteliğindeydi. Bir şekilde kara delik galaksiyle konuşuyor” dedi. Tiziana Di Matteo, Carnegie Mellon Üniversitesi'nde bir astrofizikçi.
Kara deliğin – olduğu kadar büyük – galaksinin boyutunun çok küçük bir parçası olduğunu düşündüğünüzde, korelasyon şaşırtıcıdır. (Sagittarius A*, örneğin yaklaşık 4 milyon güneş ağırlığındayken, Samanyolu yaklaşık 1.5 trilyon güneş kütlesini ölçer.) Bu nedenle, kara deliğin yerçekimi yalnızca galaksinin en iç bölgesini herhangi bir kuvvetle çeker.
Birleşik Krallık Kraliyet Astronomu Martin Rees'e göre, AGN geri bildirimi, nispeten küçük kara deliği galaksinin tamamına bağlamanın doğal bir yolunu sundu. Yirmi yıl önce, 1970'lerde Rees, süper kütleli kara deliklerin doğru bir şekilde hipotezini kurdu. ışıklı jetlere güç verin kuasar adı verilen bazı uzak, parlak parlayan galaksilerde gözlenir. O bile önerilenDonald Lynden-Bell ile birlikte, bir kara deliğin Samanyolu'nun merkezinin neden parladığını açıklayacağını söyledi. Bunlar, her yerde süper kütleli karadeliklerin boyutunu yöneten genel bir fenomenin işaretleri olabilir mi?
Fikir, bir kara delik ne kadar çok madde yutarsa, o kadar parlak olur ve artan enerji ve momentum gazı dışa doğru üfler. Sonunda, dışarı doğru basınç gazın kara deliğe düşmesini durdurur. “Bu büyümeyi durduracak. El dalgalı bir şekilde, mantık buydu, ”dedi Rees. Veya Di Matteo'nun sözleriyle, "kara delik yer ve sonra yutar." Çok büyük bir galaksi, merkezdeki kara deliğe daha fazla ağırlık vererek gazı dışa üflemeyi zorlaştırır ve bu nedenle kara delik yutmadan önce büyür.
Yine de çok az astrofizikçi, düşen maddenin enerjisinin bu kadar dramatik bir şekilde dışarı atılabileceğine ikna olmuştu. Rees'in yüksek lisans öğrencisi olarak ilk AGN geri bildirim modellerinin geliştirilmesine yardımcı olan Natarajan, “Tezimi yaparken, dönüşü olmayan bir nokta olarak kara deliklere takıntılıydık - sadece gaz giriyor” dedi. “Çok radikal olduğu için herkes bunu çok dikkatli ve temkinli yapmak zorunda kaldı.”
Geri bildirim fikrinin teyidi, birkaç yıl sonra Di Matteo ve astrofizikçiler tarafından geliştirilen bilgisayar simülasyonlarından geldi. Volker Springel ve Lars Hernquist. Di Matteo, "Gerçek evrende gördüğümüz muhteşem galaksi hayvanat bahçesini yeniden oluşturmak istedik" dedi. Temel resmi biliyorlardı: Galaksiler erken evrende küçük ve yoğun olarak başlar. Saati ileri sarın ve yerçekimi bu cüceleri muhteşem bir birleşme alevinde bir araya getirerek halkalar, girdaplar, purolar ve aradaki her şekli oluşturur. Galaksiler, yeterince çarpışmadan sonra büyük ve pürüzsüz hale gelene kadar boyut ve çeşitlilikte büyür. Di Matteo, "Bir damlada bitiyor" dedi. Simülasyonlarda, o ve meslektaşları, sarmal gökadaları birçok kez birleştirerek, eliptik gökadalar olarak adlandırılan bu büyük özelliksiz lekeleri yeniden oluşturabildiler. Ama bir sorun vardı.
Samanyolu gibi sarmal gökadalarda mavi renkte parlayan birçok genç yıldız bulunurken, dev eliptik gökadalarda yalnızca kırmızı renkte parlayan çok yaşlı yıldızlar bulunur. Almanya, Garching'deki Max Planck Astrofizik Enstitüsü'nden Springel, “Kızıllar ve ölüler” dedi. Ancak ekip simülasyonunu her çalıştırdığında, mavi parlayan eliptikler tükürdü. Yıldız oluşumunu kapatan her neyse bilgisayar modellerinde yakalanmamıştı.
Ardından Springel, "galaksi birleşmelerimizi merkezdeki süper kütleli kara deliklerle artırma fikrine sahiptik. Bu kara deliklerin gaz yutmasına ve her şey bir düdüklü tencere gibi havaya uçup gidene kadar enerji salmasına izin veriyoruz. Eliptik galaksi aniden yıldız oluşumunu durduracak ve kırmızılaşıp ölecekti.”
Çenem düştü, diye ekledi. “[Etkinin] bu kadar aşırı olmasını beklemiyorduk.”
Kırmızı ve ölü eliptikler üreterek, simülasyon, Rees ve Natarajan'ın kara delik geri besleme teorilerini destekledi. Nispeten küçük boyutuna rağmen bir kara delik, geri bildirim yoluyla bir bütün olarak galaksiyle konuşabilir. Son yirmi yılda, bilgisayar modelleri kozmosun geniş alanlarını simüle etmek için iyileştirildi ve genişletildi ve çevremizde gördüğümüz eklektik galaksi hayvanat bahçesine geniş ölçüde uyuyorlar. Bu simülasyonlar ayrıca, karadeliklerden çıkan enerjinin, galaksiler arasındaki boşluğu, aksi takdirde zaten soğumuş ve yıldızlara dönüşmüş olması gereken sıcak gazla doldurduğunu da gösteriyor. Springel, "İnsanlar şimdiye kadar süper kütleli kara deliklerin çok makul motorlar olduğuna ikna oldular" dedi. "Hiç kimse kara delikler olmadan başarılı bir model bulamadı."
Geribildirimin Gizemleri
Yine de bilgisayar simülasyonları hala şaşırtıcı derecede kör.
Madde bir kara deliğin etrafındaki toplanma diskine doğru sürünürken, sürtünme enerjinin geri itilmesine neden olur; bu şekilde kaybedilen enerji miktarı, kodlayıcıların simülasyonlarına deneme yanılma yoluyla elle koydukları bir şeydir. Ayrıntıların hala belirsiz olduğunun bir işareti. Quataert, "Bazı durumlarda yanlış nedenle doğru cevabı alma ihtimalimiz var" dedi. "Belki de kara deliklerin nasıl büyüdüğü ve çevrelerine nasıl enerji boşalttıklarıyla ilgili aslında en önemli şeyi yakalayamıyoruz."
Gerçek şu ki, astrofizikçiler AGN geri bildiriminin nasıl çalıştığını gerçekten bilmiyorlar. "Ne kadar önemli olduğunu biliyoruz. Ancak bu geri bildirime neden olan şey tam olarak bizden kaçıyor,” dedi Di Matteo. "Anahtar, kilit sorun, geri bildirimi fiziksel olarak derinlemesine anlamamamızdır."
Aktif galaksilerin merkezlerine karakteristik parlak parlaklıklarını veren bir miktar enerjinin radyasyon olarak yayıldığını biliyorlar. Güçlü manyetik alanlar, ya dağınık galaktik rüzgarlar ya da güçlü dar jetler halinde maddenin toplanma diskinden dışarı fırlamasına neden olur. Kara deliklerin jetleri fırlattığı düşünülen mekanizma, Blandford-Znajek süreci, 1970'lerde tanımlandı, ancak ışının gücünü ve enerjisinin ne kadarının galaksi tarafından emildiğini belirleyen şeyin “hala çözülmemiş bir açık sorun” olduğunu söyledi. Toplanma diskinden küresel olarak yayılan ve dolayısıyla galaksiyle dar jetlerden daha doğrudan etkileşime girme eğiliminde olan galaktik rüzgar daha da gizemli. "Milyar dolarlık soru şu: Enerjinin gazla bağlantısı nasıl?" dedi Springel.
Hala bir sorun olduğuna dair bir işaret, son teknoloji kozmolojik simülasyonlardaki kara deliklerin sona ermesidir. daha küçük bazı sistemlerde gözlemlenen gerçek süper kütleli karadelik boyutlarından daha fazla. Yıldız oluşumunu kapatmak ve kırmızı-ölü galaksiler yaratmak için, simülasyonların karadeliklerin büyümesini durduracak kadar maddenin içe akışını boğacak kadar çok enerji çıkarması için kara deliklere ihtiyacı var. “Simülasyonlardaki geri bildirim çok agresif; büyümeyi erken durdurur, "dedi Natarajan.
Samanyolu, tam tersi bir problemin örneğidir: Simülasyonlar, tipik olarak, kendi büyüklüğündeki bir galaksinin, Yay A*'nın olduğundan üç ila 10 kat daha büyük bir kara deliğe sahip olması gerektiğini tahmin eder.
Araştırmacılar, Samanyolu'na ve yakındaki galaksilere daha yakından bakarak, AGN geri bildiriminin tam olarak nasıl çalıştığını çözmeye başlayabileceğimizi umuyorlar.
Samanyolu Ekosistemi
Aralık 2020'de, eROSITA X-ray teleskopuna sahip araştırmacılar, bir çift baloncuk gördü Samanyolu'nun altında ve üstünde on binlerce ışıkyılı uzanan. Geniş X-ışınları baloncukları, 10 yıl önce Fermi Gama Işını Uzay Teleskobu'nun galaksiden yayıldığını tespit ettiği, aynı derecede şaşırtıcı gama ışını baloncuklarına benziyordu.
Fermi baloncuklarının iki kökeni teorisi hala hararetli bir şekilde tartışılıyordu. Bazı astrofizikçiler, bunların milyonlarca yıl önce Yay A*'dan fırlayan bir jetin kalıntısı olduğunu öne sürdüler. Diğerleri, baloncukların galaktik merkezin yakınında patlayan birçok yıldızın birikmiş enerjisi olduğunu düşündü - bir tür yıldız geri bildirimi.
Ne zaman Hsiang Yi Karen Yang Tayvan'daki Ulusal Tsing Hua Üniversitesi'nden bir doktor, eROSITA X-ray baloncuklarının görüntüsünü görünce "yukarı ve aşağı zıplamaya başladı". Yang için, her ikisi de aynı AGN jeti tarafından oluşturulmuşsa, X-ışınlarının gama ışınlarıyla ortak bir kökene sahip olabileceği açıktı. (X-ışınları, jetin kendisinden değil, Samanyolu'ndaki şok gazdan gelirdi.) Yazarlarla birlikte Ellen Zweibel ve Mateusz Ruszkowski, o bir bilgisayar modeli oluşturmaya başladı. Sonuçlar, yayınlanan Doğa Astrofiziği Bu geçen bahar, sadece gözlemlenen baloncukların şeklini ve parlak bir şok cephesini kopyalamakla kalmıyor, aynı zamanda bunların 2.6 milyon yıl boyunca (100,000 yıldır aktif olan bir jetten dışa doğru genişleyerek) oluştuğunu tahmin ediyor - çok hızlı bir şekilde. yıldız geri bildirimi ile açıklanmıştır.
Bulgu, AGN geri bildiriminin, Samanyolu gibi sıradan disk galaksilerde, araştırmacıların düşündüğünden çok daha önemli olabileceğini gösteriyor. Yang, ortaya çıkan tablonun, AGN ve yıldız geri bildiriminin, galaksileri çevreleyen dağınık, sıcak gaz ile iç içe geçtiği bir ekosisteminkine benzer olduğunu söyledi. Farklı galaksi türlerinde ve farklı zamanlarda farklı efektler ve akış modelleri hakim olacaktır.
Samanyolu'nun geçmişine ve bugününe ilişkin bir vaka çalışması, bu süreçlerin etkileşimini ortaya çıkarabilir. Örneğin, Avrupa'nın Gaia uzay teleskobu, Samanyolu'nun milyonlarca yıldızının kesin konumlarını ve hareketlerini haritalayarak, astrofizikçilerin daha küçük gökadalarla birleşme tarihini izlemesine izin verdi. Bu tür birleşme olaylarının, maddeyi içlerine sallayarak, süper kütleli karadelikleri harekete geçirerek aniden parlamalarına ve hatta jetleri fırlatmalarına neden olduğu varsayılmıştır. Quataert, "Birleşmelerin önemli olup olmadığı konusunda sahada büyük bir tartışma var" dedi. Gaia yıldız verileri anlaşılacağı Fermi ve eROSITA baloncuklarının oluştuğu sırada Samanyolu'nun bir birleşmeye uğramadığını ve AGN jetinin tetikleyicileri olarak birleşmeleri onaylamadığını söyledi.
Alternatif olarak, gaz blokları karadelikle çarpışabilir ve onu aktive edebilir. Yemek yeme, enerjiyi jetler ve galaktik rüzgarlar olarak dışarı atma ve duraklama arasında kaotik bir şekilde geçiş yapabilir.
Olay Ufku Teleskobu'nun mevcut damlayan maddeyi ortaya çıkaran yakın tarihli Sagittarius A* görüntüsü, çözülmesi gereken yeni bir bulmaca sunuyor. Astrofizikçiler, bir galaksiye çekilen gazın tamamının kara delik ufkuna ulaşamayacağını zaten biliyorlardı, çünkü galaktik rüzgarlar bu birikim akışına karşı dışarı doğru itilir. Ancak böylesine aşırı derecede sivrilen bir akışı açıklamak için gereken rüzgarların gücü gerçekçi değil. Narayan, "Simülasyon yaptığımda büyük bir rüzgar görmüyorum" dedi. "Neler olup bittiğine dair tam bir açıklama için ihtiyacınız olan türden bir rüzgar değil."
İç İçe Simülasyonlar
Galaksilerin nasıl çalıştığını anlamadaki zorluğun bir kısmı, yıldızlarda ve kara deliklerde oynayan uzunluk ölçekleri ile tüm galaksilerin ve çevrelerinin ölçekleri arasındaki büyük farktır. Bir bilgisayarda fiziksel bir işlemi simüle ederken, araştırmacılar bir ölçek seçer ve bu ölçekte ilgili etkileri dahil eder. Ancak galaksilerde büyük ve küçük etkiler etkileşim halindedir.
Narayan, “Kara delik, büyük galaksiye kıyasla gerçekten çok küçük ve hepsini tek bir devasa simülasyona koyamazsınız” dedi. "Her rejimin diğerinden bilgiye ihtiyacı var ama bağlantıyı nasıl kuracağını bilmiyor."
Bu boşluğu denemek ve kapatmak için Narayan, Natarajan ve meslektaşları, Samanyolu ve yakındaki aktif galaksi Messier 87'den gazın nasıl aktığının tutarlı bir modelini oluşturmak için iç içe simülasyonları kullanacak bir proje başlatıyorlar. Galaksinin kara deliğe ne yapacağını söylemesi ve sonra kara delikten gelen bilginin geri dönüp galaksiye ne yapması gerektiğini söylemesine izin veriyorsunuz” dedi Narayan. "Bu, dönüp duran ve dönen bir döngüdür."
Simülasyonlar, galaksilerin içindeki ve çevresindeki dağınık gazın akış düzenini netleştirmeye yardımcı olmalıdır. (James Webb Uzay Teleskobu tarafından galaktik ortamın daha fazla gözlemi de yardımcı olacaktır.) Quataert, “Bu, tüm ekosistemin kritik bir parçası” dedi. "Geri dönen tüm enerjiyi sürmek için gazı kara deliğe nasıl indirirsiniz?"
En önemlisi, yeni şemada, farklı ölçeklerdeki simülasyonlar arasındaki tüm girişler ve çıkışlar tutarlı olmalı ve daha az kadran döndürülecek. Narayan, "Simülasyon düzgün bir şekilde kurulursa, kara deliğe ne kadar gazın ulaşması gerektiğine kendi kendine tutarlı bir şekilde karar verecektir." Dedi. “Ona bakıp sorabiliriz: Neden tüm gazı yemedi? Neden bu kadar telaşlıydı ve mevcut gazdan bu kadar azını alıyordu?” Grup, evrimlerinin farklı aşamalarında galaksilerin bir dizi anlık görüntüsünü oluşturmayı umuyor.
Şimdilik, bu galaktik ekosistemler hakkında pek çok şey hala bir önsezi. Yang, “İnsanların bu örtüşen senaryolar hakkında düşünmeye başladığı gerçekten yeni bir dönem” dedi. "Net bir cevabım yok, ama umarım birkaç yıl içinde alacağım."
Editörün notu: Priya Natarajan şu anda Quanta'nın bilimsel danışma kurulunda hizmet vermektedir.
