Жизнь галактик может быть дольше, если сверхмассивные черные дыры будут их «сердцами и легкими», поддерживающими «дыхание» и не позволяющими галактикам слишком разрастись. Это предположение нового исследования, указывающего на то, что Вселенная старела бы гораздо быстрее и сегодня была бы заполнена галактиками-«зомби», содержащими мертвые или умирающие звезды, если бы не сверхмассивные черные дыры, которые, как считается, находятся в сердце всех крупных галактик. Астрофизики, стоящие за этими открытиями, сравнивают струи газа и излучения, которые сверхмассивные черные дыры выдувают со своих полюсов в дыхательные пути, с дыханием и легкими.
Команда Кентского университета считает, что импульсы от каждого «сердца» черной дыры вызывают ударные фронты, которые колеблются вперед и назад по обеим струям. Это похоже на то, как часть нашего тела, называемая грудной диафрагмой, движется вверх и вниз внутри грудной полости, чтобы надувать и сдувать наши легкие, сообщает журнал Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Белый диск с темными полосами, проходящими через него, и длинными фиолетовыми линиями, исходящими из его полюсов. ESA/Hubble, L. Calçada (ESO)/C Richards/MD Smith/University of Kent
В галактиках это похожее на дыхание действие передает энергию сверхмассивных струй, выбрасываемых черной дырой, в окружающую среду, подобно тому, как холодным зимним утром вы можете выдохнуть теплый воздух в более холодный воздух. Звезды образуются, когда межзвездные газовые облака остывают и конденсируются. Это означает, что это «выдыхание» может замедлить звездообразование, сокращая рост галактик.
Команда пришла к такому выводу после анализа моделирования, разработанного для воспроизведения воздействия сверхзвуковых сверхмассивных струй, выбрасываемых черной дырой, на замедление роста галактик. Моделирование показало, что сердце сверхмассивной черной дыры может пульсировать, создавая высокое давление в струях — почти как у человека, страдающего от высокого кровяного давления или «гипертонии».
Когда это произошло, команда увидела, что струи начали действовать как мехи, вызывая звуковые волны, которые распространялись по окружающему материалу галактического газа и пыли.
«Мы поняли, что должны быть какие-то средства для струй, чтобы поддерживать окружающий галактику газ, и это то, что мы обнаружили в наших компьютерных симуляциях», — сказал в заявлении член команды Карл Ричардс, аспирант Кентского университета. «Неожиданное поведение было обнаружено, когда мы проанализировали компьютерные симуляции высокого давления и позволили сердцу пульсировать».
Это послало поток импульсов в струи высокого давления, заставив их изменить форму в результате действия сильфонного типа колеблющихся фронтов ударных волн струи. Исследователь добавил, что эти струи расширялись «как наполненные воздухом легкие». При этом они посылали рябь давления в галактический материал вокруг себя, тем самым останавливая рост галактик в симуляциях.
Иллюстрация, показывающая звуковые волны (рябь) в горячем газе, заполняющем скопление Персея. Предполагается, что они были созданы полостями, выдуваемыми струями из сверхмассивной черной дыры, яркого белого пятна в центре галактики. NASA/NASA/CXC/M.Weiss
Помимо моделирования команды, есть и другие свидетельства этого явления в реальных галактиках. Например, примерно в 240 миллионах световых лет от Земли в скоплении галактик Персей астрономы увидели свидетельства больших газовых пузырей в этой коллекции из тысяч галактик, погруженных в огромное облако газа с температурой в несколько миллионов градусов. Считается, что они являются результатом звуковых волн, проносящихся через галактическую среду в этом скоплении.
Однако достичь равновесия между активностью черных дыр и потоком газа в галактики чрезвычайно сложно, поскольку сверхмассивным черным дырам требуется постоянный приток газа и пыли для создания струй.
«Слишком быстрое или слишком медленное дыхание не обеспечит живительных толчков, необходимых для поддержания галактической среды и в то же время для снабжения сердца топливом», — сказал в заявлении член команды и исследователь из Кентского университета Майкл Смит. «Однако сделать это непросто, и у нас есть ограничения по типу пульсации, размеру черной дыры и качеству легких».
Звуковые волны
Группа ученых пришла к выводу, что продолжительность жизни галактики может быть продлена с помощью ее сверхмассивного «сердца» — черной дыры и ее реактивных «легких», выбрасываемых из ее ядра, поскольку они сдерживают рост, ограничивая количество газа, коллапсирующего в звезды на ранней стадии.
Без этого механизма многие галактики к настоящему моменту исчерпали бы свои запасы топлива, необходимые для звездообразования в нашей 13,8-миллиарднолетней Вселенной. В результате они бы «выдохлись», и большинство галактик напоминали бы на данный момент так называемые «красные и мертвые» зомби-галактики, заполненные древними выгоревшими звездами.