Phoenix-klustret är en enorm ansamling av cirka 1, 000 galaxer, ligger 5,7 miljarder ljusår från jorden. I dess centrum ligger en massiv galax, som verkar spotta ut stjärnor med en hastighet av cirka 1, 000 per år. De flesta andra galaxer i universum är mycket mindre produktiva, gnisslar bara några stjärnor varje år, och forskare har undrat vad som har drivit på Phoenix-klustrets extrema stjärnproduktion.

Nu forskare från MIT, University of Cambridge, och någon annanstans kan ha ett svar. I en tidning som publicerades idag i Astrofysisk tidskrift , teamet rapporterar att de observerar heta strålar, 10 miljoner graders gas som sprängs ut från den centrala galaxens svarta hål och blåser stora bubblor ut i den omgivande plasman.

Dessa strålar verkar normalt för att dämpa stjärnbildningen genom att blåsa bort kall gas - det huvudsakliga bränslet som en galax förbrukar för att generera stjärnor. Dock, forskarna fann att de heta strålarna och bubblorna som kommer från mitten av Phoenix-klustret också kan ha motsatt effekt av att producera kall gas, som i sin tur regnar tillbaka på galaxen, bränsle till ytterligare stjärnskott. Detta tyder på att det svarta hålet har hittat ett sätt att återvinna en del av sin heta gas som kall, stjärnframställande bränsle.

"Vi har trott att svarta håls jetstrålar och bubblor var att reglera stjärnbildningen och att förhindra att kylning inträffar, säger Michael McDonald, biträdande professor i fysik vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Vi trodde typ att de var one-trick ponnyer, men nu ser vi att de faktiskt kan hjälpa till att kyla, och det är inte en sådan klippt och torkad bild."

De nya rönen hjälper till att förklara Phoenix-klustrets exceptionella stjärnproducerande kraft. De kan också ge ny insikt om hur supermassiva svarta hål och deras värdgalaxer ömsesidigt växer och utvecklas.

McDonald's medförfattare inkluderar huvudförfattaren Helen Russell, en astronom vid Cambridge University; och andra från University of Waterloo, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, University of Illinois, och på andra ställen.

Heta jets, kalla filament

Teamet analyserade observationer av Phoenix-klustret som samlats in av Atacama Large Millimeter Array (ALMA), en samling av 66 stora radioteleskop spridda över öknen i norra Chile. 2015, gruppen fick tillstånd att rikta teleskopen mot Phoenix-klustret för att mäta dess radioemissioner och för att upptäcka och kartlägga tecken på kall gas.

Forskarna tittade igenom data efter signaler om kolmonoxid, en gas som finns där det finns kall vätgas. De omvandlade sedan kolmonoxidutsläppen till vätgas, att generera en karta över kall gas nära centrum av Phoenix-klustret. Den resulterande bilden var en förbryllande överraskning.

"Du skulle förvänta dig att se en knut kall gas i mitten, där stjärnbildning sker, " säger McDonald. "Men vi såg dessa gigantiska filament av kall gas som sträcker sig 20, 000 ljusår från det centrala svarta hålet, bortom själva centralgalaxen. Det är lite vackert att se."

Teamet hade tidigare använt NASA:s Chandra X-Ray Observatory för att kartlägga klustrets heta gas. Dessa observationer gav en bild där kraftfulla jetstrålar flög ut från det svarta hålet med nära ljusets hastighet. Längre ut, forskarna såg att strålarna blåste upp jättebubblor i den heta gasen.

När teamet lade över sin bild av Phoenix-klustrets kalla gas på kartan över het gas, de hittade en "perfekt rumslig korrespondens":de långa filamenten av kyliga, 10-kelvins gas verkade draperas över bubblorna av het gas.

"Det här kan vara den bästa bilden vi har av svarta hål som påverkar den kalla gasen, " säger McDonald.

Mata det svarta hålet

Vad forskarna tror händer är att, som jet blåser upp bubblor av heta, 10 miljoner graders gas nära det svarta hålet, de släpar efter sig ett lite svalare spår, 1 miljon graders gas. Bubblorna lossnar så småningom från strålarna och flyter vidare ut i galaxhopen, där varje bubblas spår av gas svalnar, bildar långa filament av extremt kall gas som kondenserar och regnar tillbaka på det svarta hålet som bränsle för stjärnbildning.

"Det är en väldigt ny idé att bubblorna och strålarna faktiskt kan påverka distributionen av kall gas på något sätt, " säger McDonald.

Forskare har uppskattat att det finns tillräckligt med kall gas nära centrum av Phoenix-klustret för att fortsätta producera stjärnor i hög takt i ytterligare 30 till 40 miljoner år. Nu när forskarna har identifierat en ny återkopplingsmekanism som kan förse det svarta hålet med ännu mer kall gas, klustrets stjärnproduktion kan fortsätta mycket längre.

"Så länge det finns kall gas som matar den, det svarta hålet kommer att fortsätta rapa ut dessa strålar, " säger McDonald. "Men nu har vi upptäckt att dessa jetplan gör mer mat, eller kall gas. Så du är i den här cykeln som i teorin, skulle kunna fortsätta väldigt länge."

Han misstänker att anledningen till att det svarta hålet kan generera bränsle för sig själv kan ha något att göra med dess storlek. Om det svarta hålet är relativt litet, det kan producera strålar som är för svaga för att helt spränga bort kall gas från klustret.

"Just nu kan [det svarta hålet] vara ganska litet, och det skulle vara som att sätta en civil i ringen med Mike Tyson, " McDonald säger. "Det är helt enkelt inte upp till uppgiften att blåsa den här kalla gasen tillräckligt långt bort för att den aldrig skulle komma tillbaka."

Teamet hoppas kunna bestämma massan av det svarta hålet, samt identifiera andra, liknande extrema stjärnmakare i universum.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.