Черные дыры объявляют голодовку

Используя новую компьютерную модель, детально описывающую поведение типичных галактик (их рождение и слияние), немецкие и американские астрофизики сумели показать, что активный рост центральных сверхмассивных черных дыр вызывает к жизни процессы взрывного высвобождение энергии, которые не только управляют развитием галактик, но и накладывают существенные ограничения на дальнейший рост самой центральной черной дыры. С помощью этой модели удалось объяснить многие из давно наблюдаемых астрономами явлений и достичь более глубокого понимания процессов формирования галактик и роли черных дыр во всей истории нашей Вселенной. Работа опубликована 10 февраля в журнале Nature.

"В последние годы ученые начали подозревать, что полная масса звезд в современных галактиках однозначно соответствует размерам галактической черной дыры, однако до сих пор никто не мог объяснить эти наблюдаемые соотношения, - заявляет Тизиана Ди Маттео (Tiziana Di Matteo) из Университета Carnegie Mellon, что проводит эти исследования совместно с коллегами из германского Астрофизического института имени Макса Планка (Max Planck Institut fur Astrophysik) и Гарвардского университета (Harvard University). - Использование нашего моделирования дало нам возможность применить принципиально новый способ для решения этой задачи".

Когда первые галактики появились в ранней Вселенной, они, по всей видимости, в своих центрах содержали лишь небольшие черные дыры. Согласно стандартному сценарию формирования галактик, они растут, объединяясь друг с другом под действием гравитационных сил. В результате подобных процессов черные дыры в центре получившейся новой галактики большего размера тоже сливаются вместе и быстро растут, достигая массы, в миллиарды раз превышающей массу Солнца; что позволяет им называться сверхмассивными черными дырами. Во время слияния из доступного газа также формируется большое количество новых звезд. Сегодняшние галактики и их центральные черные дыры как раз и представляют собой результат целого ряда подобных событий.

Ди Маттео и ее коллеги моделировали процесс столкновения возникших ранее на заре нашего мира галактик и выяснили, что когда две такие галактики объединяются, то их сверхмассивные сливающиеся черные дыры первоначально активно используют для своего роста окружающий газ. Однако этому пиршеству быстро приходит конец.

Поскольку сверхмассивная черная дыра получившейся в результате более крупной галактики продолжает поглощать газ, она быстро переходит в новое состояние, заставляющее поглощаемую материю возле нее бурно излучать энергию во всех диапазонах, то есть становиться квазаром. Квазар "выдувает" окружающий газ из ближайших окрестностей сверхмассивной черной дыры к периферии галактики (астрономы констатируют наличие мощнейших звездных ветров). Без близлежащего газа сверхмассивная черная дыра уже не может столь интенсивно расти и становится бездействующей, т.е. квазар "выключается" (это позволяет объяснить как краткость фазы квазара по сравнению со всей жизнью галактики, так и то, почему количество активных квазаров в ранней Вселенной значительно превышало их нынешнее число). Даже самые массивные черные дыры заключают в себе не свыше 1 процента массы галактики. В то же время без газа в центральной части не могут формироваться и звезды.

В ходе моделирования выяснилось, что черные дыры в маленьких галактиках ограничивают свой рост более эффективно, чем в галактиках крупных. Маленькая галактика содержит меньшее количество газа, поэтому даже небольшого количества энергии от черной дыры хватает на то, чтобы быстро сдуть этот газ. В большой галактике черная дыра может достигнуть большего размера прежде, чем окружающий ее газ будет активирован до такой степени, чтобы препятствовать поглощению очередных порций материи. В результате, обладая меньшими запасами газа, маленькие галактики производят меньше звезд, а в укрупненных более древних галактиках и газа, и областей звездообразования больше. Эти результаты соответствуют наблюдаемому соотношению между размерами черных дыр и полной массой звезд в галактиках.