Data från ESA:s XMM-Newton röntgenobservatorium har avslöjat hur supermassiva svarta hål formar sina värdgalaxer med kraftfulla vindar som sveper bort interstellär materia.

I en ny studie, forskare analyserade åtta år av XMM-Newton-observationer av det svarta hålet i kärnan av en aktiv galax känd som PG 1114+445, visar hur ultrasnabba vindar – utflöden av gas som släpps ut från ansamlingsskivan mycket nära det svarta hålet – interagerar med den interstellära materien i centrala delar av galaxen. Dessa utflöden har upptäckts tidigare men den nya studien identifierar tydligt, för första gången, tre faser av deras interaktion med värdgalaxen.

"Dessa vindar kan förklara några överraskande samband som forskare har känt till i flera år men inte kunde förklara, " sa huvudförfattaren Roberto Serafinelli från National Institute of Astrophysics i Milano, Italien, som utförde det mesta av arbetet som en del av sin doktorsexamen. vid universitetet i Rom Tor Vergata.

"Till exempel, vi ser en korrelation mellan massorna av supermassiva svarta hål och hastighetsspridningen av stjärnor i de inre delarna av deras värdgalaxer. Men det finns inget sätt att detta kan bero på gravitationseffekten av det svarta hålet. Vår studie för första gången visar hur dessa svarta håls vindar påverkar galaxen i större skala, möjligen tillhandahåller den saknade länken."

Astronomer har tidigare upptäckt två typer av utflöden i röntgenspektra som sänds ut av de aktiva galaktiska kärnorna, de täta centrala områdena i galaxer som är kända för att innehålla supermassiva svarta hål. De så kallade ultrasnabba utflödena (UFOs), gjord av starkt joniserad gas, färdas med hastigheter upp till 40 procent av ljusets hastighet och kan observeras i närheten av det centrala svarta hålet.

Långsammare utflöden, kallas varma absorbenter, färdas med mycket lägre hastigheter på hundratals km/s och har liknande fysiska egenskaper – som partikeldensitet och jonisering – som den omgivande interstellära materien. Dessa långsammare utflöden är mer sannolikt att detekteras på större avstånd från galaxens centra.

I den nya studien, forskarna beskriver en tredje typ av utflöde som kombinerar egenskaperna hos de två föregående:hastigheten på ett UFO och de fysiska egenskaperna hos en varm absorbator.

"Vi tror att detta är punkten när UFO:t rör den interstellära materien och sveper bort den som en snöplog, ", sade Serafinelli. "Vi kallar detta för ett 'medbringat ultrasnabbt utflöde' eftersom UFO:t i detta skede penetrerar den interstellära materien. Det liknar vinden som driver båtar i havet."

Denna indragning sker på ett avstånd av tio till hundratals ljusår från det svarta hålet. UFO:t trycker gradvis bort den interstellära materien från de centrala delarna av galaxen, rensar den från gas och bromsar ansamlingen av materia runt det supermassiva svarta hålet.

Även om modeller har förutspått denna typ av interaktion tidigare, den aktuella studien är den första som presenterar faktiska observationer av de tre faserna.

"I XMM-Newton-data, vi kan se material på större avstånd från mitten av galaxen som ännu inte har störts av det inre UFO:t, " sa medförfattaren Francesco Tombesi från University of Rome Tor Vergata och NASA:s Goddard Space Flight Center. "Vi kan också se moln närmare det svarta hålet, nära galaxens kärna, där UFO har börjat interagera med den interstellära materien."

Denna första interaktion sker många år efter att UFO:t lämnat det svarta hålet. Men UFO:s energi gör det möjligt för det relativt lilla svarta hålet att stöta på material långt bortom räckhåll för dess gravitationskraft.

Enligt forskarna, supermassiva svarta hål överför sin energi till den omgivande miljön genom dessa utflöden och rensar gradvis de centrala delarna av galaxen från gas, som sedan kunde stoppa stjärnbildningen. Faktiskt, Galaxer producerar idag stjärnor mycket mer sällan än de brukade göra i de tidiga stadierna av sin evolution.

"Det här är sjätte gången dessa utflöden har upptäckts, " sade Serafinelli. "Det är helt ny vetenskap. Dessa faser av utflödet har tidigare observerats separat, men sambandet mellan dem var inte klart förrän nu."

XMM-Newtons oöverträffade energiupplösning var nyckeln till att skilja mellan de tre typerna av funktioner som motsvarar de tre typerna av utflöden. I framtiden, med nya och kraftfullare observatorier som ESA:s Advanced Telescope for High Energy Astrophysics, Athena, astronomer kommer att kunna observera hundratusentals supermassiva svarta hål, upptäcka sådana utflöden lättare. Athena, som kommer att vara mer än 100 gånger känsligare än XMM-Newton, är planerad att lanseras i början av 2030-talet.

"Att hitta en källa är bra, men att veta att detta fenomen är vanligt i universum skulle vara ett verkligt genombrott, sa Norbert Schartel, XMM-Newton-projektforskare vid ESA. "Även med XMM-Newton, vi kanske kan hitta fler sådana källor under det kommande decenniet."

More data in the future will help unravel the complex interactions between the supermassive black holes and their host galaxies in detail and explain the decrease in star formation that astronomers observe to have taken place over billions of years.