Astronomowie w końcu mogą mieć dowody w kosmicznej sprawie kryminalnej: dlaczego największym galaktykom we wszechświecie brakuje tak wielu gwiazd. Nowe dane z misji X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) sugerują, że supermasywne czarne dziury są winowajcami, zdmuchując gaz potrzebny do formowania gwiazd.

Obecne modele przewidują, że najmasywniejsze galaktyki powinny pękać w szwach od masy gwiazdowej, ale obserwacje pokazują znaczący niedobór. Doktorantka z University of Michigan, Xin „Cindy” Xiang, wykorzystała dane XRISM do zbadania jednego z wiodących wyjaśnień i znalazła dowody wskazujące bezpośrednio na czarne dziury.

Większość ludzi zna czarne dziury jako obiekty, których grawitacja jest tak silna, że nawet światło nie może uciec. Jednak czarne dziury mogą również tworzyć niezwykle jasne obszary wokół siebie. Gdy gaz i pył spiralnie zbliżają się do środka, tworzą dysk akrecyjny emitujący ogromne ilości energii, w tym potężne promieniowanie rentgenowskie.

Dyski akrecyjne należą do najbardziej energetycznych środowisk we wszechświecie. Materiał spadający w kierunku czarnej dziury jest ogrzewany przez grawitację i tarcie, aż staje się intensywnie gorącą plazmą. Jednocześnie dysk może wyrzucać potężne wypływy materii.

Te wiatry mogą być wystarczająco silne, aby wymieść gaz z galaktyki. Ponieważ gaz jest surowcem potrzebnym do tworzenia nowych gwiazd, takie wypływy mogą znacznie zmniejszyć przyszłe formowanie się gwiazd.

Dane z XRISM potwierdzają tę możliwość. Misja jest prowadzona przez Japońską Agencję Kosmiczną we współpracy z NASA i Europejską Agencją Kosmiczną.

„Wcześniej, bez XRISM, mogliśmy widzieć tylko ogólne cechy wypływów” – powiedziała Xiang. „Ale trzeba być w stanie rozróżnić drobne szczegóły, aby odpowiedzieć na ważne pytania. Jaka jest ich struktura i geometria? Jak wiatry są uruchamiane i kiedy są uruchamiane?”

Wystrzelony w 2023 roku, XRISM rozpoczął obserwacje naukowe jesienią 2024 roku. Jego rozdzielczość energetyczna jest około 10 razy lepsza niż poprzednika, co pozwala astronomom badać środowiska czarnych dziur w znacznie większych szczegółach.

Xiang i jej współpracownicy skupili się na NGC 4151, jasnej galaktyce położonej nieco ponad 50 milionów lat świetlnych od Ziemi. W jej centrum znajduje się aktywne jądro galaktyki (AGN), gdzie supermasywna czarna dziura aktywnie pochłania materiał i generuje świecący dysk akrecyjny. To czyni NGC 4151 idealnym laboratorium do badania wypływów napędzanych przez czarne dziury.

„Dzięki XRISM mamy największą rozdzielczość obserwując najjaśniejsze AGN i otrzymujemy najbogatsze informacje o wypływach, jakie do tej pory zaobserwowaliśmy dla dysku akrecyjnego” – powiedziała Xiang.

Pracując razem z profesorem astronomii z University of Michigan, Jonem Millerem, Xiang wcześniej wykazała, że wiatry z dysku akrecyjnego NGC 4151 mogą osiągać prędkości wystarczające do wyrzucenia materiału z układu. Zidentyfikowała również prawdopodobny mechanizm napędzający te wypływy – napęd magnetoodśrodkowy, podobny do tego, który wywołuje rozbłyski słoneczne.

Na 248. spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w Pasadenie w Kalifornii, Xiang przedstawiła nową metodę określania, kiedy potężne wiatry NGC 4151 są aktywne. Podejście to może pomóc badaczom zidentyfikować podobne wypływy w innych galaktykach i poprawić zrozumienie AGN w całym wszechświecie.

Ponieważ wiatry AGN mogą zmieniać się dramatycznie w czasie, Xiang potrzebowała sposobu, aby wskazać, kiedy występują najszybsze i najsilniejsze wypływy. Aby to zrobić, przeanalizowała setki dni obserwacji NGC 4151 za pomocą XRISM.

Jej praca skupiła się na okresach, gdy emisja rentgenowska galaktyki rozjaśniała się w rozbłyskach oraz na tym, jak sygnał rentgenowski ewoluował w godzinach później.

Oprócz pomiaru jasności, Xiang badała, czy wykryte promieniowanie rentgenowskie było stosunkowo twarde czy miękkie, co jest właściwością porównywalną do koloru w świetle widzialnym. Połączyła te pomiary w nowy wskaźnik zwany wskaźnikiem intensywności koloru. Miller zasugerował skrócenie nazwy do „cindicity”.

„Częściowo dlatego, że mam na imię Cindy” – powiedziała Xiang. „Ale chodzi o to, że w przyszłości będziesz mógł mi powiedzieć cindicity swojego źródła w tym momencie”.