Supermassiva svarta hål, väger miljoner eller till och med miljarder gånger vår sols massa, är fortfarande bara en liten bråkdel av massan av de galaxer de lever i. Men i vissa fall, det centrala svarta hålet är svansen som viftar med hunden. Det verkar som att svarta hål kan bli varma eller kalla när det gäller att antingen förstärka eller släcka stjärnfödseln i en galaxhop.

Vanligtvis, gigantiska svarta hål, pumpa ut energi via jetstrålar, hålla interstellär gas för varm för att kondensera och bilda stjärnor. Nu, astronomer har hittat ett kluster av galaxer, kallas Phoenix-klustret, där stjärnor bildas i en rasande takt på grund av det svarta hålets inflytande. Denna stellar turboboost är tydligen kopplad till mindre energiska jetstrålar från ett centralt svart hål som inte pumpar upp gastemperaturen. Istället, gasen förlorar energi när den lyser i röntgenstrålar. Gasen kyler till där den kan bilda ett stort antal stjärnor i en hisnande hastighet. Där vår Vintergatan bildar en stjärna per år i genomsnitt, nyfödda stjärnor dyker upp ur denna svala gas med en hastighet av cirka 500 solmassor per år i Phoenix-klustret.

Att reda ut detta mysterium krävde den kombinerade kraften hos NASA:s rymdteleskop Hubble, NASA:s Chandra X-ray Observatory, och radioobservatoriet Very Large Array (VLA) nära Socorro, New Mexico.

VLA-radiodata avslöjar jetstrålar som spränger ut från närheten av det centrala svarta hålet. Dessa strålar blåste upp bubblor i den heta gasen som detekteras i röntgenstrålar av Chandra. Hubble löser klarblå filament av nyfödda stjärnor i håligheter mellan de heta jet- och gasmolnen. När det svarta hålet har blivit mer massivt och kraftfullare, dess inflytande har ökat.

Astronomer har bekräftat det första exemplet på en galaxhop där ett stort antal stjärnor föds i dess kärna. Med hjälp av data från NASAs rymdteleskop och ett radioobservatorium från National Science Foundation, forskare har samlat nya detaljer om hur de mest massiva svarta hålen i universum påverkar deras värdgalaxer.

Galaxkluster är de största strukturerna i kosmos som hålls samman av gravitationen, bestående av hundratals eller tusentals galaxer inbäddade i het gas, samt osynlig mörk materia. De största supermassiva svarta hålen som är kända finns i galaxer i mitten av dessa kluster.

I årtionden, astronomer har letat efter galaxhopar som innehåller rika plantskolor av stjärnor i deras centrala galaxer. Istället, de fann kraftfulla, gigantiska svarta hål som pumpar ut energi genom strålar av högenergipartiklar och håller gasen för varm för att bilda många stjärnor.

Nu, forskare har övertygande bevis för en galaxhop där stjärnor bildas i en rasande takt, uppenbarligen kopplat till ett mindre effektivt svart hål i dess centrum. I detta unika kluster, strålarna från det centrala svarta hålet verkar istället hjälpa till vid bildandet av stjärnor. Forskare använde nya data från NASA:s Chandra X-ray Observatory och Hubble Space Telescope, och NSF:s Karl Jansky Very Large Array (VLA) för att bygga på tidigare observationer av detta kluster.

"Detta är ett fenomen som astronomer hade försökt hitta under lång tid, sa Michael McDonald, astronom vid Massachusetts Institute of Technology (MIT), som ledde studien. "Detta kluster visar att, i vissa fall, den energiska effekten från ett svart hål kan faktiskt förbättra kylningen, leder till dramatiska konsekvenser."

Det svarta hålet är i mitten av en galaxhop som kallas Phoenixkluster, belägen cirka 5,8 miljarder ljusår från jorden i konstellationen Phoenix. Den stora galaxen som är värd för det svarta hålet är omgiven av het gas med temperaturer på miljontals grader. Massan av denna gas, motsvarande biljoner solar, är flera gånger större än den sammanlagda massan av alla galaxer i klustret.

Denna heta gas förlorar energi när den lyser i röntgenstrålar, vilket borde få den att svalna tills den kan bilda ett stort antal stjärnor. Dock, i alla andra observerade galaxhopar, energiskurar som drivs av ett sådant svart hål hindrar det mesta av den heta gasen från att svalna, förhindra utbredd stjärnfödelse.

"Föreställ dig att du kör en luftkonditionering i ditt hus en varm dag, men sedan starta en vedeld. Ditt vardagsrum kan inte svalna ordentligt förrän du släckt elden, " sa medförfattaren Brian McNamara vid University of Waterloo i Kanada. "På liknande sätt, när ett svart håls uppvärmningsförmåga stängs av i en galaxhop, gasen kan då svalna."

Bevis för snabb stjärnbildning i Phoenix Cluster rapporterades tidigare 2012 av ett team ledd av McDonald. Men djupare observationer krävdes för att lära sig detaljer om det centrala svarta hålets roll i återfödelsen av stjärnor i den centrala galaxen, och hur det kan förändras i framtiden.

Genom att kombinera långa observationer i röntgen, optisk, och radioljus, forskarna fick en tiofaldig förbättring av datakvaliteten jämfört med tidigare observationer. De nya Chandra-data avslöjar att het gas kyls nästan i den takt som förväntas i frånvaro av energi som injiceras av ett svart hål. Den nya Hubble-datan visar att omkring 10 miljarder solmassor av sval gas finns längs filament som leder mot det svarta hålet, och unga stjärnor bildas av denna svala gas med en hastighet av cirka 500 solmassor per år. Som jämförelse, stjärnor bildas i Vintergatans galax med en hastighet av ungefär en solmassa per år.

VLA-radiodata avslöjar jetstrålar som spränger ut från närheten av det centrala svarta hålet. Dessa strålar blåste troligen upp bubblor i den heta gasen som detekteras i Chandra-data. Både strålarna och bubblorna är bevis på tidigare snabb tillväxt av det svarta hålet. Tidigt i denna tillväxt, det svarta hålet kan ha varit underdimensionerat, jämfört med massan av dess värdgalax, vilket skulle tillåta snabb kylning att gå okontrollerad.

"Förr, utbrott från det underdimensionerade svarta hålet kan helt enkelt ha varit för svaga för att värma omgivningen, låta het gas börja svalna, " sa medförfattaren Matthew Bayliss, som var forskare vid MIT under denna studie, men har nyligen börjat på fakulteten vid University of Cincinnati. "Men när det svarta hålet har blivit mer massivt och kraftfullare, dess inflytande har ökat."

Kylningen kan fortsätta när gasen förs bort från mitten av klustret av det svarta hålets utbrott. På ett större avstånd från det svarta hålets värmepåverkan, gasen kyls snabbare än den kan falla tillbaka mot mitten av klustret. Detta scenario förklarar observationen att kall gas finns runt gränserna för hålrummen, baserat på en jämförelse av Chandra- och Hubble-data.

Så småningom kommer utbrottet att generera tillräckligt med turbulens, ljudvågor och stötvågor (liknande de ljudbommar som produceras av överljudsflygplan) för att tillhandahålla värmekällor och förhindra ytterligare kylning. Detta kommer att fortsätta tills utbrottet upphör och uppbyggnaden av kall gas kan återupptas. Hela cykeln kan sedan upprepas.

"Dessa resultat visar att det svarta hålet tillfälligt har hjälpt till med bildandet av stjärnor, men när det förstärks kommer dess effekter att börja efterlikna de svarta hålen i andra kluster, kväver mer stjärnfödsel, " sa medförfattaren Mark Voit från Michigan State University i East Lansing, Michigan.

Bristen på liknande föremål visar att hopar och deras enorma svarta hål passerar genom den snabba stjärnbildningsfasen relativt snabbt.

En artikel som beskrev dessa resultat publicerades i ett färskt nummer av The Astrofysisk tidskrift , och ett förtryck finns tillgängligt online.