Unga galaxer flammar med ljusa nya stjärnor som bildas i snabb takt, men stjärnbildningen stängs så småningom ner när en galax utvecklas. En ny studie, publicerad 1 januari, 2018, i Natur , visar att massan av det svarta hålet i galaxens centrum avgör hur snart denna "släckning" av stjärnbildning sker.

Varje massiv galax har ett centralt supermassivt svart hål, mer än en miljon gånger mer massiv än solen, avslöjar dess närvaro genom dess gravitationseffekter på galaxens stjärnor och ibland driver den energetiska strålningen från en aktiv galaktisk kärna (AGN). Energin som strömmar in i en galax från en aktiv galaktisk kärna tros stänga av stjärnbildningen genom att värma upp och skingra gasen som annars skulle kondensera till stjärnor när den svalnade.

Denna idé har funnits i decennier, och astrofysiker har funnit att simuleringar av galaxens evolution måste inkorporera återkoppling från det svarta hålet för att kunna reproducera de observerade egenskaperna hos galaxer. Men observationsbevis för ett samband mellan supermassiva svarta hål och stjärnbildning har saknats, tills nu.

"Vi har ringt in feedbacken för att få simuleringarna att fungera, utan att riktigt veta hur det går till, sade Jean Brodie, professor i astronomi och astrofysik vid UC Santa Cruz och en medförfattare till tidningen. "Detta är det första direkta observationsbeviset där vi kan se effekten av det svarta hålet på galaxens stjärnbildningshistoria."

De nya resultaten avslöjar ett kontinuerligt samspel mellan svarta håls aktivitet och stjärnbildning under en galaxs liv, påverkar varje generation av stjärnor som bildas när galaxen utvecklas.

Leds av första författaren Ignacio Martín-Navarro, en postdoktor vid UC Santa Cruz, studien fokuserade på massiva galaxer för vilka massan av det centrala svarta hålet hade mätts i tidigare studier genom att analysera stjärnornas rörelser nära galaxens mitt. För att fastställa galaxernas stjärnbildningshistoria, Martín-Navarro analyserade detaljerade spektra av deras ljus erhållna av Hobby-Eberly Telescope Massive Galaxy Survey.

Spektroskopi gör det möjligt för astronomer att separera och mäta ljusets olika våglängder från ett objekt. Martín-Navarro använde beräkningstekniker för att analysera spektrumet för varje galax och återställa dess stjärnbildningshistoria genom att hitta den bästa kombinationen av stjärnpopulationer för att passa de spektroskopiska data. "Den berättar hur mycket ljus som kommer från stjärnpopulationer i olika åldrar, " han sa.

När han jämförde galaxernas stjärnbildningshistoria med svarta hål med olika massor, han fann slående skillnader. Dessa skillnader korrelerade bara med svarta håls massa och inte med galaktisk morfologi, storlek, eller andra fastigheter.

"För galaxer med samma massa stjärnor men olika svarta håls massa i mitten, de galaxerna med större svarta hål släcktes tidigare och snabbare än de med mindre svarta hål. Så stjärnbildningen varade längre i dessa galaxer med mindre centrala svarta hål, " sa Martín-Navarro.

Andra forskare har letat efter korrelationer mellan stjärnbildning och ljusstyrkan hos aktiva galaktiska kärnor, utan framgång. Martín-Navarro sa att det kan bero på att tidsskalorna är så olika, med stjärnbildning som sker under hundratals miljoner år, medan utbrott från aktiva galaktiska kärnor sker under kortare tidsperioder.

Ett supermassivt svart hål är bara lysande när det aktivt slukar upp materia från värdgalaxens inre regioner. Aktiva galaktiska kärnor är mycket varierande och deras egenskaper beror på storleken på det svarta hålet, hastigheten för ansamling av nytt material som faller på det svarta hålet, och andra faktorer.

"Vi använde svart håls massa som en proxy för energin som lagts in i galaxen av AGN, eftersom ansamling på mer massiva svarta hål leder till mer energisk återkoppling från aktiva galaktiska kärnor, vilket skulle släcka stjärnbildning snabbare, " förklarade Martín-Navarro.

Den exakta karaktären av återkopplingen från det svarta hålet som släcker stjärnbildningen är fortfarande osäker, enligt medförfattaren Aaron Romanowsky, en astronom vid San Jose State University och UC Observatories.

"Det finns olika sätt som ett svart hål kan föra ut energi i galaxen, och teoretiker har alla möjliga idéer om hur släckning sker, men det finns mer arbete att göra för att passa in dessa nya observationer i modellerna, " sa Romanowsky.