Сверхмассивные черные дыры помогли компактным галактикам ранней Вселенной активно порождать звезды

Астрономы определили, что галактики с активными ядрами, существовавшие в первый миллиард лет жизни Вселенной, были способны к активному звездообразованию за счет своей компактности, создававшей положительную обратную связь от сверхмассивной черной дыры. В более поздние сроки возникала отрицательная обратная связь, когда отток вещества от черной дыры тормозил звездообразование. Статья опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Одним из основных направлений исследований современной галактической астрономии стало изучение связи между галактиками и их центральными сверхмассивными черными дырами, в частности, времени формирования самой черной дыры и разных частей галактик, а также влияния активности черной дыры на темп звездообразования. В последнем случае в качестве общей теории, способной описать свойства галактик с большим красным смещением, может выступать идея обратной связи.

Эта идея состоит в том, что первоначально в центральной области галактики происходит накопление газа, что усиливает как аккрецию вещества на сверхмассивную черную дыру, так и звездообразование. Активность черной дыры порождает отток вещества в виде релятивистских струй (джетов) или дисковых ветров, что ведет к появлению ударных волн и турбулентностей в окружающем газе. Если сжатый ударными волнами газ будет эффективно охлаждаться, способствуя звездообразованию, то это и будет положительная обратная связь между звездообразующей галактикой и ее активным ядром. Отрицательная обратная связь будет иметь место на более поздних этапах эволюции галактики, когда процесс охлаждения газа становится неэффективен, его запасы в гало истощены, а из центральной зоны наблюдается активный отток вещества, что приводит к затуханию звездообразования.

Таким образом, обратная связь может остановить рост черной дыры при достаточно большой массе, а также регулировать или подавлять рост звездной массы галактики. Такая теория призвана объяснить наблюдаемые свойства квазаров и галактик на больших красных смещениях, в частности, то, что галактики, содержащие активные ядра с областью свечения широких спектральных линий, часто бывают ультракомпактными и запыленными.

Группа астрономов во главе с Джозефом Силком (Joseph Silk) из Университета Джонса Хопкинса представила результаты теоретической оценки времени перехода между двумя режимами обратной связи в галактиках. Ученые работали с данными наблюдений «Джеймса Уэбба» за «маленькими красными точками» — это популяция ультракомпактных красных галактик с z = 5–10 и эффективным радиусом до 150 парсек. Многие такие системы представляют собой покрасневшие от пыли активные галактические ядра с массами черных дыр в диапазоне 10⁷—10⁸ масс Солнца. Они могут быть прародителями массивных галактик с плотностью звезд в центральной области сравнимой или превышающей значение, присущее эллиптическим галактикам в Местной Вселенной.

Исследователи выделили три основных эволюционных периода галактики с активным ядром. На первом этапе (z более 15) происходит рост черной дыры и ядра галактики, которые сформировались одновременно, за счет активной аккреции газа. На втором этапе (z = 5–15) возникают всплески звездообразования, вызванные турбулентностью и оттоками от ядра в плотную комковатую межзвездную среду. При этом компактность галактики играет ключевую роль в ускорении звездообразования, сокращая время охлаждения сжатого газа. Переход к отрицательной обратной связи в виде обеднения газом и торможения звездообразования будет иметь место при z около 5–6, независимо от массы галактики.

Ученые также рассмотрели механизмы формирования черных дыр при условии их раннего рождения и компактности родительской галактики с высоким значением z. Они выделили три возможных механизма образования массивных зародышей черных дыр: финал жизни сверхмассивных звезд, популяция первичных черных дыр промежуточной массы (10³—10⁶ масс Солнца) и суперэддингтоновская аккреция вещества на зародыши средней массы внутри квазизвезд, похожих на красные гиганты или объекты Торна — Житкова.

Ранее мы рассказывали о том, как сверхмассивной черной дыре в очень далеком квазаре потребовался массивный зародыш.