En miljard ljusår från jorden ligger en av universums mest massiva strukturer, en gigantisk elliptisk galax omgiven av ett vidsträckt kluster av andra galaxer som kallas Abell 2597. I kärnan av den centrala galaxen, ett supermassivt svart hål driver den kosmiska motsvarigheten till en monumental fontän, dra in stora lager av kall molekylär gas och spruta ut dem igen i en pågående cykel.

Astronomer har länge teoretiserat att fontäner som denna ständigt återcirkulerar en galaxs stjärnbildande bränsle. Nya Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) observationer av Abell 2597 visar de första tydliga och övertygande bevisen för det samtidiga infallande och utflöde av gas som drivs av ett supermassivt svart hål. Forskarna rapporterar sina observationer i det senaste numret av Astrofysisk tidskrift .

"Det supermassiva svarta hålet i centrum av denna jättegalax fungerar som en mekanisk "pump" i en vattenfontän, "sa Grant Tremblay, en astrofysiker vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i Cambridge, Massachusetts, och huvudförfattare på tidningen. "Detta är ett av de första systemen där vi hittar tydliga bevis för både kall molekylär gasinflöde mot det svarta hålet och utflöde eller upplyftning från strålarna som det svarta hålet skjuter upp."

Enligt forskarna, hela detta system fungerar via en självreglerande återkopplingsslinga. Det infallande materialet ger kraft till fontänen när den "töms" mot det centrala svarta hålet, som vatten som kommer in i en fontäns pump. Denna infallande gas får sedan det svarta hålet att antändas med aktivitet, lanserar höghastighetsstrålar av överhettat material som skjuter ut ur galaxen. När den reser, detta material trycker ut klumpar och strömmar av gas in i galaxens expansiva gloria, där det så småningom regnar tillbaka i det svarta hålet, igång hela processen på nytt.

Totalt, cirka tre miljarder solmassor av molekylär gas är en del av denna fontän, bildar en filamentär nebulosa som spänner över de innersta 100, 000 ljusår av galaxen.

I en tidigare studie av samma författare publicerad i tidskriften Nature, forskarna kunde verifiera kopplingen mellan det svarta hålet och den galaktiska fontänen genom att observera regionen över ett antal våglängder, eller delar av spektrumet. Genom att studera platsen och rörelsen för molekyler av kolmonoxid (CO) med ALMA, som lyser starkt i millimetervåglängdsljus, forskarna kunde mäta gasens rörelse när den faller in mot det svarta hålet.

Tidigare data från Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) på ESO:s Very Large Telescope (VLT) visade varmt, joniserad gas drivs ut från galaxen – i huvudsak fontänens plym. De nya ALMA-observationerna fann klumpar av kyla, molekylär gas på exakt samma platser som den varma gasen som ses i de tidigare observationerna.

"Den unika aspekten här är en mycket detaljerad kopplad analys av källan med hjälp av data från ALMA och MUSE-instrumentet. De två anläggningarna ger en otroligt kraftfull kombination, " sa Tremblay. "ALMA avslöjade fördelningen och rörelserna hos molnen med kalla molekylära gaser, och MUSE gjorde samma sak för den varma joniserade gasen."

ALMA- och MUSE-data kombinerades med en ny, ultradjup observation av klustret av NASA:s Chandra X-ray Observatory, avslöjar den heta fasen av denna fontän i utsökt detalj, konstaterade forskarna.

Observationerna stödjer också mycket övertygande hypotesen att de varma joniserade och kalla molekylnebulosorna är en i samma, med den varma joniserade gasen som bara är "skalet" runt de kalla molekylära kärnorna som cirkulerar i denna galaxskala fontän.

Denna multivåglängdsmetod ger en ovanligt fullständig bild av detta system. "Det är som att observera regnmolnet, regn, och pöl på samma gång, " noterade Tremblay. Även om detta bara är en observation av en galax, astronomerna spekulerar i att de kan observera en process som är vanlig i galaxer och grundläggande för deras evolution.