Astronomer har kanske äntligen bevis i en kosmisk kalla fall: varför universums största galaxer saknar så många stjärnor. Nya data från röntgenobservatoriet XRISM tyder på att supermassiva svarta hål är bovarna, som blåser bort den gas som behövs för att bilda stjärnor.

Nuvarande modeller förutspår att de mest massiva galaxerna borde vara fullproppade med stjärnmassa, men observationer visar en betydande brist. Doktoranden Xin ”Cindy” Xiang vid University of Michigan använde XRISM-data för att undersöka en ledande förklaring och fann bevis som pekar direkt på svarta hål.

De flesta känner till svarta hål som objekt vars gravitation är så stark att inte ens ljus kan undkomma. Men svarta hål kan också skapa extremt ljusa områden runt sig. När gas och damm spiralerar inåt bildar de en ackretionsskiva som avger enorma mängder energi, inklusive kraftfulla röntgenstrålar.

Ackretionsskivor är bland de mest energirika miljöerna i universum. Material som faller mot det svarta hålet värms upp av gravitation och friktion tills det blir ett intensivt hett plasma. Samtidigt kan skivan skicka ut kraftfulla utflöden av materia.

Dessa vindar kan vara tillräckligt starka för att sopa bort gas ur en galax. Eftersom gas är råmaterialet som behövs för att skapa nya stjärnor, kan sådana utflöden avsevärt minska framtida stjärnbildning.

Data från XRISM stöder den möjligheten. Uppdraget leds av den japanska rymdstyrelsen JAXA i samarbete med NASA och Europeiska rymdorganisationen ESA.

”Tidigare, utan XRISM, kunde vi bara se grova drag av utflödena”, säger Xiang. ”Men man måste kunna urskilja fina detaljer för att besvara viktiga frågor. Vad är deras struktur och geometri? Hur startas vindarna och när startas de?”

XRISM, som sköts upp 2023, påbörjade vetenskapliga observationer hösten 2024. Dess energiupplösning är ungefär tio gånger bättre än föregångarens, vilket gör att astronomer kan undersöka svarta håls miljöer i mycket större detalj.

Xiang och hennes medarbetare har fokuserat på NGC 4151, en ljusstark galax som ligger drygt 50 miljoner ljusår från jorden. I dess centrum finns en aktiv galaktisk kärna (AGN), där ett supermassivt svart hål aktivt konsumerar material och genererar en lysande ackretionsskiva. Det gör NGC 4151 till ett idealiskt laboratorium för att studera utflöden drivna av svarta hål.

”Med XRISM har vi den högsta upplösningen för att observera den ljusaste AGN och vi får den rikaste informationen om utflöden som vi hittills observerat för en ackretionsskiva”, säger Xiang.

I samarbete med astronomiprofessorn Jon Miller vid University of Michigan visade Xiang tidigare att vindar från NGC 4151:s ackretionsskiva kan nå hastigheter tillräckligt höga för att slunga ut material ur systemet. Hon identifierade också den troliga mekanismen som driver dessa utflöden – magnetocentrifugal drivning, liknande det som utlöser solflammor.

Vid American Astronomical Societys 248:e möte i Pasadena, Kalifornien, presenterade Xiang en ny metod för att avgöra när NGC 4151:s kraftfulla vindar är aktiva. Metoden kan hjälpa forskare att identifiera liknande utflöden i andra galaxer och förbättra förståelsen av AGN i hela universum.

Eftersom AGN-vindar kan förändras dramatiskt över tid behövde Xiang ett sätt att fastställa när de snabbaste och starkaste utflödena inträffade. För att göra detta analyserade hon hundratals dagars XRISM-observationer av NGC 4151.

Hennes arbete fokuserade på perioder när galaxens röntgenutbrott ljusnade i flammor och på hur röntgensignalen utvecklades under timmarna efteråt.

Förutom att mäta ljusstyrka studerade Xiang om de detekterade röntgenstrålarna var relativt hårda eller mjuka, en egenskap som kan jämföras med färg i synligt ljus. Hon kombinerade dessa mätningar till ett nytt mått som kallas färgintensitetsindex. Miller föreslog att förkorta namnet till ”cindicitet”.

”Delvis för att jag heter Cindy”, säger Xiang. ”Men tanken är att man i framtiden skulle kunna berätta för mig cindiciteten hos din källa vid denna tidpunkt.”