Большие пузыри в центре Млечного Пути были вызваны сверхмассивной черной дырой

В 2020 году рентгеновский телескоп eRosita сделал снимки двух огромных пузырей, простирающихся далеко над и под центром нашей галактики. С тех пор астрономы спорят об их происхождении. Теперь новое исследование предполагает, что пузыри являются результатом мощного выброса сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, также показывает, что струя начала извергать материал около 2,6 миллиона лет назад и существовала около 100 000 лет.

Результаты команды показывают, что пузыри, обнаруженные в 2010 году, и 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 UM и Университетом Висконсина.

«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 UM Матеуш Рушковски, соавтор исследования. «Если вы верите в модель пузырей Ферми или eRosita, приводимых в движение сверхмассивными черными дырами, вы можете начать отвечать на эти глубокие вопросы».

Есть две конкурирующие модели, которые объясняют эти пузыри, называемые пузырями Ферми и eRosita в честь телескопов, которые их наблюдали.

Первый предполагает, что истечение вызвано ядерным звездообразованием, при котором звезда взрывается в виде сверхновой и выбрасывает вещество. Вторая модель, которую подтверждают выводы ученых, предполагает, что эти оттоки вызваны энергией, выбрасываемой из сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики.

Эти выбросы из черных дыр происходят, когда материал движется к черной дыре, но никогда не пересекает горизонт событий черной дыры. Поскольку часть этого 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 имеют высоту 11 килопарсек. Один парсек равен 3,26 светового года, что примерно в три раза превышает расстояние, которое свет проходит за год. Таким образом, структуры имеют размер почти 36 000 световых лет.

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

Астрономы заинтересованы в наблюдении за пузырями eRosita, в частности, потому, что они возникают в нашей галактике, а не в других. По словам ученых, наша близость к оттокам означает, что астрономы могут собирать огромное количество данных. Эти данные могут подсказать астрономам количество энергии в струе черной дыры, как долго эта энергия вводилась и из какого материала состоят пузыри.

«Мы не только можем исключить модель звездообразования, но также можем точно настроить параметры, необходимые для создания тех же изображений или чего-то очень похожего на то, что есть в действительности, в рамках этой модели сверхмассивной черной дыры», — говорят ученые. «Мы можем лучше ограничить 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 струями черной дыры, расширяются и образуют пузыри Ферми, которые светятся в гамма-лучах», — говорят астрономы.

«Тот же самый взрыв отталкивает газ от галактического центра и формирует ударную волну, которая наблюдается как пузыри eRosita. Новое наблюдение пузырей eRosita позволило нам более точно ограничить продолжительность активности черной дыры и лучше понять историю нашей собственной 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.

«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».

Введение энергии в течение 10 миллионов лет привело бы к образованию пузырей с совершенно другим внешним видом.

Астрономы использовали данные миссии eRosita, космического гамма-телескопа Ферми НАСА, обсерватории Планка и зонда Wilkinson Microwave Anisotropy Probe.