Надмасивна чорна діра прокинулася після 100 мільйонів років сну

У глибинах космосу, приблизно за мільярд світлових років від Землі, прокинувся монстр із величезним апетитом. Близько 100 мільйонів років надмасивна чорна діра в центрі галактики J1007+3540 зберігала мовчання. Вона спокійно сиділа в темряві, оточена охолоджуючими залишками своїх минулих спалахів. Але нещодавно, у космічних масштабах часу, вона знову увімкнулася.

Астрономи отримали яскравий портрет цієї відродженої активності, який показує хаотичну боротьбу газу, пилу та енергії, що охоплює майже 1,5 мільйона світлових років. Цю подію порівнюють із виверженням космічного вулкана. Радіодані чітко демонструють свіжий яскравий внутрішній джет, який пробивається крізь кокон старішої вицвілої плазми. Це уламки, що залишилися від попередніх вивержень чорної діри.

«Це схоже на спостереження за виверженням космічного вулкана після віків спокою, тільки цей вулкан достатньо великий, щоб вирізати структури, які простягаються майже на мільйон світлових років у просторі», — розповіла провідна дослідниця Шобха Кумарі з Міднапорського міського коледжу в Індії.

У новому дослідженні астрономи описують цю систему як рідкісну епізодичну гігантську радіогалактику. Вона дає можливість спостерігати життєвий цикл найпотужніших двигунів Всесвіту з першого ряду, показуючи, що іноді зростання галактик менше схоже на повільну еволюцію і більше на серію вибухових вогняних подихів.

Більшість галактик, включаючи наш Чумацький Шлях, містять надмасивну чорну діру. Але J1007+3540 належить до елітного клубу, відомого як гігантські радіогалактики. Ці велетні викидають струмені намагніченої плазми, які простягаються далеко за межі видимих зірок їхньої галактики-господаря, досягаючи розмірів, що затьмарюють цілі скупчення галактик.

Унікальність J1007+3540 полягає в тому, що вона вивергалася не один раз. Радіозображення, отримані за допомогою низькочастотної решітки LOFAR та модернізованого гігантського метрохвильового радіотелескопа uGMRT, показують чіткі шари історії. Там є слабкі примарні лопаті старої плазми від стародавнього виверження, а всередині них розташовані яскраві компактні джети від нового спалаху.

За оцінками, зовнішнім лопатям, що згасають, близько 240 мільйонів років, тоді як внутрішні потужніші джети набагато молодші — їм лише близько 140 мільйонів років. Ця стомільйонна прогалина представляє період сплячки чорної діри перед поточним повторним запалюванням.

«Ця драматична багатошаровість молодих джетів усередині старіших виснажених лопатей є ознакою епізодичного активного ядра галактики — галактики, центральний двигун якої продовжує вмикатися та вимикатися протягом космічних масштабів часу», — додала Кумарі.

Ця чорна діра вивергається не у вакуумі. Вона живе всередині щільного сусідства, яке називається скупченням WHL 100706.4+354041. Скупчення галактик заповнені міжскупченим середовищем, яке є свого роду супом із перегрітого газу, що чинить величезний тиск на все всередині нього.

Зазвичай радіоджети вистрілюють прямими лініями. Але в J1007+3540 навколишнє середовище чинить опір. Тиск від оточуючого скупчення газу настільки інтенсивний, що фізично згинає та стискає радіоджети. Північна лопать галактики стиснута та різко спотворена, демонструючи викривлений зворотний потік, де плазма відштовхується назад і вбік, не в змозі легко пробитися крізь щільний газ.

«J1007+3540 є одним із найяскравіших та найвидовищніших прикладів епізодичного активного ядра галактики з взаємодією джета та скупчення, де оточуючий гарячий газ згинає, стискає та спотворює джети», — сказав співавтор дослідження доктор Сабясачі Пал з Міднапорського міського коледжу.

Цей опір створює спотворену сигнатуру зворотного потоку, по суті, відбиття плазми назад. Це схоже на те, що відбувається, коли пожежний шланг високого тиску спрямовують на цегляну стіну: вода, або в цьому випадку релятивістська плазма, розбризкується назад до джерела. Дослідники виявили, що ця стиснута північна лопать має крутіший радіоспектр, що вказує на те, що електрони там дуже старі та швидко втрачають енергію, борючись із погодою скупчення.

Південна сторона галактики розповідає іншу, але так само дивну історію. Від ядра простягається масивний відокремлений хвіст дифузного випромінювання, який ніби відривається від основної структури. Цей хвіст представляє загадку для астрономів. Зазвичай, чим далі плазма віддаляється від чорної діри, тим старішою та слабкішою вона має бути. Але в цьому відокремленому хвості електрони виявляються молодшими, ніж очікувалося, з радіаційним віком лише 100 мільйонів років — молодшими навіть за внутрішні джети.

Як уламки можуть бути молодшими за виверження, яке їх створило? Автори припускають захоплюючий механізм: повторне прискорення. Коли хвіст взаємодіє з турбулентним газом скупчення, удари та турбулентність можуть перезаряджати старі викопні електрони, даючи їм сплеск нової енергії. По суті, бурхливе середовище пробуджує мертву плазму, змушуючи її знову яскраво світитися, як відокремлену від основного тіла кінцівку зомбі.

Чому це важливо зараз? Раніше астрономи думали про галактики як про острівні всесвіти, які еволюціонували ізольовано. Але такі системи, як J1007+3540, показують, що еволюція галактик іноді є контактним видом спорту. Робочий цикл чорної діри — як часто вона вмикається та вимикається — регулює зростання самої галактики.

Коли ці джети вивергаються, вони скидають величезну кількість кінетичної енергії в оточуючий газ. Цей зворотний зв'язок може зупинити охолодження газу для формування нових зірок, фактично вбиваючи майбутнє зростання галактики. І навпаки, дощ газу назад на чорну діру запускає наступне виверження.

Галактика-господар J1007+3540 є масивною еліптичною галактикою зі старими зірками, сформованими 12 мільярдів років тому. Однак, схована за завісою пилу, вона все ще виробляє нові зірки з високою швидкістю понад 100 сонячних мас на рік. Це свідчить про те, що навіть у цій стародавній потрепаній системі цикл народження та руйнування далекий від завершення.

Дослідники планують використовувати ще гостріші рентгенівські очі, як космічний телескоп Чандра, щоб картографувати гарячий газ навколо цієї системи. Нові відкриття з'явилися в журналі Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.