Не все галактические районы расширяются; некоторые из них затухают и умирают. Новая статья проливает свет на продолжающиеся дебаты о причинах.
Чёрные дыры — это самое близкое, что у нас осталось, к мифологическим монстрам — предупреждение «Здесь будут драконы» на наших космологических картах.
Особого внимания заслуживают сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик. Они являются невероятно массивными якорями сотен миллиардов солнечных систем в нашей галактике, а также в других.
Но не все межзвёздные сообщества растут. Некоторые из них представляют собой «погасшие» галактики, где новое звездообразование, похоже, остановилось. Астрономы и астрофизики уже 20 лет выясняют, почему и как это происходит.
Недавно опубликованное исследование убедительно доказывает, что самый важный фактор находится в самом ядре этих галактик и сверхъестественной силе чёрных дыр: их массе.
Рассматриваем кусочки в «Межзвёздном супе»
Астроном из Кембриджского университета Джоанна Пиотровска, ведущий автор исследования, объясняет, что, несмотря на сложность чёрных дыр, галактик и астрофизики в целом, есть только два основных способа, которыми галактика может гасить звёзды: либо что-то перекрывает подачу газа или что-то препятствует накоплению этого газа. Было три преобладающих теории относительно того, как это происходит. Все основаны на массе.
Первая — взрывы сверхновых — зависит от массы звёзд в галактике. Теория утверждает, что взрывающиеся звёзды выбрасывают пыль из галактики и делают её недоступной для звездообразования. Все-таки именно сверхновые — самый слабый из трёх вариантов, и им не под силу выбросить космическую пыль совсем за пределы досягаемости.
Следующей является гало-шоковый нагрев. По сути, когда чёрная дыра притягивает материал к себе, он проталкивается через ореол материала, уже окружающего её. Это трение генерирует огромное количество энергии, нагревая ореол и позволяя ему оставаться на плаву. Согласно теории, чем больше материала втягивается — или, с технической точки зрения, чем больше происходит аккреции — тем сильнее должна быть погашена галактика, что должно увеличивать массу гало вокруг чёрной дыры.
Последняя теория очень проста. Как только чёрные дыры становятся достаточно массивными, они становятся так называемыми активными галактическими ядрами, небольшими областями в центре, излучающими огромное количество энергии, достаточно мощной, чтобы образовывать вокруг себя струи ветра и пыли. Их гравитация создаёт огромное количество турбулентности и тепла в окружающем газе, предотвращая его конденсацию и коллапс в звёзды. Точно так же, как мяч для троса, если его ударить с достаточной силой, он останется в воздухе, а не упадёт обратно на шест. Именно эту теорию Джоанна Пиотровска (Joanna Piotrowska) и соавтор Аса Блак (Asa F. L. Bluck) в Институте космологии Кавли, Кембридж используют в своих исследованиях.
Прогулка по случайному лесу
Чтобы проверить эту теорию, исследователи объединили космологические наблюдения Sloan Digital Sky Survey с тремя космологическими симуляциями — EAGLE, Illustris и IllustrisTNG — что позволило им проанализировать колоссальные 200 000 галактик. Глядя на центральные галактики (те, что находятся в центре галактических сверхскоплений), они использовали для их анализа метод машинного обучения, называемый «случайным лесом».
В своём анализе учёные ввели параметры каждой из этих трёх теорий в алгоритм, а затем попросили программу машинного обучения использовать эти параметры и попытаться воспроизвести наблюдаемые результаты. Поскольку программа более проста, они смогли «точно выяснить, что она делает и почему», — говорит Блак. Проблема с более сложными методами машинного обучения заключается в том, что понять, как они находят ответы, очень сложно.
Результаты были приятно чёткими, говорит Пиотровска. «Конечным результатом является то, что теория массы чёрной дыры намного превосходит другие параметры». «Насколько мне известно, — добавляет она, — это наиболее очевидная и методологически убедительная демонстрация того, что сверхмассивные чёрные дыры убивают звездообразование в массивных галактиках».
С этим согласен аспирант Алекс Гурвич из Северо-Западного университета, который специализируется на использовании моделирования для изучения взаимодействия между звёздной обратной связью и звездообразованием.
Он говорит, что исследование помогает ответить на давнюю загадку в астрономии, где одна из ведущих теорий заключалась в том, что аккреция чёрной дыры должна быть причиной затухания, и поэтому чем быстрее чёрная дыра аккрецирует, тем быстрее она должна гаснуть.
Но есть «запутанные результаты наблюдений», говорит он, «где звездообразование отключено, но нет аккреции. И наоборот: звездообразование происходит, но происходит и аккреция. Почему?» Вопрос намекает на идею о том, что общая масса чёрной дыры, а не аккреция в любой момент времени, более важна для угасания звездообразования. И эта статья, по его словам, зафиксировала это, назвав «шагом вперёд не только для области, но и для её методологии».
По мнению Блака, подход машинного обучения, разработанный Пиотровски, помог учёным избежать ловушки ошибочного принятия корреляции за причинно-следственную связь. Другими словами, они смогли окончательно показать, что массивный размер галактики может привести к остановке звёздообразования.