Телескоп Джеймс Уэбб впервые показал как сверхмассивные чёрные дыры получают вещество

Астрономы приблизились к разгадке одного из главных вопросов современной астрофизики — как сверхмассивные чёрные дыры продолжают получать вещество для роста, несмотря на то что сами нагревают окружающий их газ. Ответ помогли найти новые наблюдения космического телескопа «Джеймс Уэбб», который впервые с высокой точностью запечатлел газовые нити, соединяющие космическое пространство галактики с вращающимся диском вещества вокруг чёрной дыры.

Международная группа исследователей при участии специалистов Университета штата Мичиган изучила центральную область эллиптической галактики NGC 4696, расположенной примерно в 145 миллионах световых лет от Земли в скоплении Центавра. Результаты исследования помогают объяснить механизм самоподдерживающегося питания сверхмассивных чёрных дыр.

Практически в центре каждой крупной галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, масса которой в миллионы или даже миллиарды раз превышает массу Солнца. Когда такая чёрная дыра активно поглощает окружающее вещество, она превращается в активное галактическое ядро, выбрасывающее мощные струи энергии, которые способны влиять на эволюцию всей галактики, замедляя образование новых звёзд и изменяя свойства окружающего газа.

Однако здесь возникает парадокс. Эти энергетические выбросы нагревают газ вокруг чёрной дыры, а горячий газ должен препятствовать дальнейшему поступлению вещества. Поэтому учёные давно пытались понять, каким образом сверхмассивные чёрные дыры продолжают получать «топливо».

Наиболее вероятная теория предполагала, что нагретый газ со временем всё же охлаждается, конденсируется в длинные тонкие газовые нити и постепенно снова падает к центру галактики. Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи направили телескоп «Джеймс Уэбб» на галактику NGC 4696 и почти восемь часов наблюдали её с помощью спектрографа NIRSpec.

Полученные данные стали самыми детальными за всю историю подобных наблюдений. Учёные смогли построить карту движения газа с разрешением около 30 световых лет — чрезвычайно высокой точностью для объекта, размеры которого составляют сотни тысяч световых лет.

Наблюдения показали, что обнаруженная ранее S-образная структура представляет собой вращающийся газовый диск диаметром около 800 световых лет вокруг сверхмассивной чёрной дыры. Газ в нём движется со скоростью до 600 километров в секунду.

Самым важным открытием стало то, что этот диск оказался напрямую соединён с одной из огромных газовых нитей, уходящих далеко вглубь галактики. Исследователи впервые увидели, как вещество движется по этой нити и поступает прямо в диск, который затем питает центральную чёрную дыру.

Авторы работы считают, что им удалось наблюдать полный цикл саморегуляции сверхмассивной чёрной дыры. Сначала её выбросы нагревают окружающий газ. Затем газ постепенно охлаждается, становится нестабильным и собирается в длинные узкие нити длиной в тысячи световых лет.

Под действием магнитных полей вращение газа замедляется, благодаря чему он направляется к центру галактики. Там вещество формирует вращающийся диск вокруг чёрной дыры, после чего вновь начинает поглощаться ею. Затем чёрная дыра снова выбрасывает мощные струи энергии, и весь процесс повторяется.

Для проверки этой модели исследователи также выполнили современные компьютерные симуляции. Они показали практически такую же картину движения газа, какую зафиксировал телескоп «Джеймс Уэбб», что стало независимым подтверждением предложенного механизма.

По словам авторов работы, наблюдения впервые позволили увидеть, как магнитные поля помогают направлять охлаждённый газ к самым массивным чёрным дырам Вселенной. Это открытие значительно улучшает понимание того, каким образом сверхмассивные чёрные дыры способны существовать и расти на протяжении миллиардов лет, одновременно оказывая влияние на эволюцию своих галактик.