Массивные пузыри в центре Млечного Пути, вызванные сверхмассивной черной дырой

С тех пор астрономы спорят об их происхождении. Теперь исследование, включающее исследования Мичиганского университета, предполагает, что пузыри появились в результате мощного выброса сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Исследование также показывает, что джет начал извергать материал около 2,6 миллиона лет назад и продолжал около 100 000 лет.

Результаты команды показывают, что пузыри Ферми, обнаруженные в 2010 году, и микроволновая дымка (туман из заряженных частиц примерно в центре галактики) были сформированы одним и тем же потоком энергии сверхмассивной черной дыры. Исследование проводилось Национальным университетом Цин Хуа в сотрудничестве с Мичиганским университетом и Университетом Висконсина.

«Наши результаты важны, ведь нам нужно понять, как черные дыры взаимодействуют с галактиками, внутри которых они находятся, потому что это взаимодействие позволяет черным дырам расти контролируемым образом, а не бесконтрольно», — говорит астроном Матеуш Рушковски, соавтор исследования. «Если вы верите в модель пузырей Ферми или eRosita, приводимых в движение сверхмассивными черными дырами, можете начать отвечать на эти глубокие вопросы».

Есть две конкурирующие модели, которые объясняют пузыри Ферми и eRosita в честь телескопов, говорит Рушковски. Первый предполагает, что отток вызван ядерным звездообразованием, при котором звезда взрывается сверхновой и выбрасывает вещество. Вторая модель, которую подтверждают выводы команды, предполагает, что оттоки вызваны энергией, выбрасываемой из сверхмассивной черной дыры в центре галактики.

Эти оттоки из черных дыр происходят, когда материал движется к черной дыре, но никогда не пересекает горизонт событий черной дыры или математическую поверхность, ниже которой ничто не может ускользнуть. Поскольку часть материала выбрасывается обратно в космос, черные дыры не растут бесконтрольно. Но энергия, выбрасываемая черной дырой, смещает материал вблизи черной дыры, создавая большие пузыри.

Сами структуры ввысоту 11 килопарсек. Один парсек равен 3,26 светового года, что примерно в 3 раза превышает расстояние, которое свет проходит за год. Таким образом, структуры высотой почти 36 000 световых лет.

Для сравнения, галактика Млечный Путь диаметром 30 килопарсек, а Солнечная система находится примерно в 8 килопарсеках от центра галактики. По словам исследователей, пузыри eRosita примерно в 2 раза больше пузырей Ферми и расширяются волной энергии или ударной волной, выталкиваемой пузырями Ферми.

Астрономы заинтересованы в наблюдении за этими пузырями eRosita, в частности, потому, что они находятся на нашем галактическом заднем дворе, в отличие от объектов в другой галактике или на крайнем космологическом расстоянии. По словам Рушковски, наша близость к оттокам означает, что астрономы могут собирать огромное количество данных. Эти данные могут сказать астрономам количество энергии в джете черной дыры, как долго эта энергия вводилась и из какого материала состоят пузыри.

«Мы не только можем исключить модель вспышки звездообразования, но также можем точно настроить параметры, необходимые для создания тех же изображений или чего-то очень похожего на то, что в небе, в рамках модели сверхмассивной черной дыры», — говорит Рушковски. «Мы можем точнее понять определенные вещи, например, сколько энергии было закачано, что находится внутри этих пузырей и как долго энергия вводилась для создания этих пузырей».

Что у них внутри? Космические лучи, форма высокоэнергетического излучения. Пузыри eRosita охватывают пузыри Ферми, содержимое которых неизвестно. Но модели исследователей могут предсказать количество космических лучей внутри каждой из структур. Энергетическая инъекция черной дыры надувала пузыри, а сама энергия была в виде кинетической, тепловой и космической энергии лучей. Из этих форм энергии миссия Ферми смогла обнаружить только сигнал гамма-излучения космических лучей.

«Наша симуляция уникальна тем, что учитывает взаимодействие между космическими лучами и газом внутри Млечного Пути. Космические лучи, инжектированные джетами черной дыры, расширяются и образуют пузыри Ферми, которые светятся в гамма-лучах», — говорит Карен Янг. «Тот же самый взрыв отталкивает газ от галактического центра и формирует ударную волну, которая наблюдается как пузыри eRosita. Новое наблюдение пузырей eRosita позволило более точно ограничить продолжительность активности черной дыры и лучше понять прошлую историю нашей галактики».

Модель исследователей исключает теорию ядерных звездообразований, потому что типичная продолжительность ядерного звездообразования и, следовательно, период времени, в течение которого звездообразование вводит энергию, формирующую пузыри, составляет около 10 миллионов лет, по словам соавтора исследования Эллен Цвайбель, профессор астрономии и физики Висконсинского университета.

«С другой стороны, наша модель активной черной дыры точно предсказывает относительные размеры рентгеновских пузырей eRosita и пузырей гамма-излучения Ферми при условии, что время инжекции энергии составляет около 1% от этого, или одну десятую миллиона лет», — говорит Цвайбель.

«Введение энергии в течение 10 миллионов лет привело бы к образованию пузырей с совершенно другим внешним видом. Это возможность сравнить пузыри рентгеновского и гамма-излучения, что дает ключевую ранее отсутствующую часть».

Исследователи использовали данные миссии eRosita, космического гамма-телескопа Ферми НАСА, обсерватории Планка и микроволнового зонда анизотропии Уилкинсона.