Forskning som kombinerar systematiska observationer med kosmologiska simuleringar har funnit att, förvånande, svarta hål kan hjälpa vissa galaxer att bilda nya stjärnor. På skalor av galaxer, supermassiva svarta håls roll för stjärnbildning hade tidigare setts som destruktiv – aktiva svarta hål kan beröva galaxer den gas som galaxer behöver för att bilda nya stjärnor. De nya resultaten, publiceras i tidskriften Natur , visa upp situationer där aktiva svarta hål kan, istället, "röja vägen" för galaxer som kretsar inuti galaxgrupper eller kluster, hindrar dessa galaxer från att få sin stjärnbildning störd när de flyger genom den omgivande intergalaktiska gasen.

Aktiva svarta hål tros i första hand ha ett destruktivt inflytande på sin omgivning. När de spränger energi in i sin värdgalax, de värms upp och skjuter ut den galaxens gas, vilket gör det svårare för galaxen att producera nya stjärnor. Men nu, forskare har funnit att samma aktivitet faktiskt kan hjälpa till med stjärnbildning - åtminstone för de satellitgalaxer som kretsar kring värdgalaxen.

Det kontraintuitiva resultatet kom från ett samarbete som utlöstes av ett lunchsamtal mellan astronomer som specialiserat sig på storskaliga datorsimuleringar och observatörer. Som sådan, det är ett bra exempel på den typ av informell interaktion som har blivit svårare under pandemiförhållanden.

Astronomiska observationer som inkluderar att ta en avlägsen galaxs spektrum – den regnbågsliknande separationen av en galaxs ljus i olika våglängder – möjliggör ganska direkta mätningar av den hastighet med vilken galaxen bildar nya stjärnor.

Att gå efter sådana mätningar, vissa galaxer bildar stjärnor i ganska lugna takter. I vår egen Vintergatan galax, bara en eller två nya stjärnor föds varje år. Andra genomgår korta utbrott av överdriven stjärnbildningsaktivitet, kallas "stjärnexplosioner", med hundratals stjärnor födda per år. I ytterligare andra galaxer, stjärnbildning verkar vara undertryckt, eller "släckt, " som astronomer säger:Sådana galaxer har praktiskt taget slutat att bilda nya stjärnor.

En speciell sorts galax, exemplar av vilka ofta - nästan hälften av tiden - befinns vara i ett sådant släckt tillstånd, är så kallade satellitgalaxer. Dessa är en del av en grupp eller ett kluster av galaxer, deras massa är förhållandevis låg, och de kretsar kring en mycket mer massiv central galax som liknar hur satelliter kretsar runt jorden.

Sådana galaxer bildar vanligtvis väldigt få nya stjärnor, Om överhuvudtaget, och sedan 1970-talet, astronomer har misstänkt att något som liknar motvind kan vara skyldig:grupper och kluster av galaxer innehåller inte bara galaxer, men också ganska het tunn gas som fyller det intergalaktiska utrymmet.

När en satellitgalax kretsar genom klustret med en hastighet av hundratals kilometer per sekund, den tunna gasen skulle få det att kännas samma typ av "motvind" som någon som cyklar på en snabb cykel, eller motorcykel, kommer att känna. Satellitgalaxens stjärnor är alldeles för kompakta för att kunna påverkas av den jämna strömmen av mötande intergalaktisk gas.

Men satellitgalaxens egen gas är det inte:Den skulle avlägsnas av den mötande heta gasen i en process som kallas "ramtrycksavdrivning". Å andra sidan, en snabbrörlig galax har ingen chans att dra in en tillräcklig mängd intergalaktisk gas, för att fylla på sin gasreservoar. Resultatet är att sådana satellitgalaxer förlorar sin gas nästan helt – och därmed det råmaterial som behövs för stjärnbildning. Som ett resultat, stjärnbildningsaktiviteten skulle släckas.

Processerna i fråga äger rum under miljoner eller till och med miljarder år, så vi kan inte se dem hända direkt. Men även så, det finns sätt för astronomer att lära sig mer. De kan använda datorsimuleringar av virtuella universum, programmerad för att följa fysikens relevanta lagar – och jämföra resultaten med vad vi faktiskt observerar. Och de kan leta efter tydliga ledtrådar i den omfattande "snapshot" av kosmisk evolution som tillhandahålls av astronomiska observationer.

Annalisa Pillepich, en gruppledare vid Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), specialiserat sig på simuleringar av detta slag. IllustrisTNG-sviten av simuleringar, som Pillepich har lett, tillhandahåller de mest detaljerade virtuella universum hittills - universum där forskare kan följa gasens rörelse runt i jämförelsevis liten skala.

IllustrisTNG ger några extrema exempel på satellitgalaxer som nyligen har tagits bort av ramtryck:så kallade "manetgalaxer, " som släpar efter resterna av sin gas som maneter släpar efter sina tentakler. Faktum är att att identifiera alla maneter i simuleringarna är ett nyligen lanserat medborgarvetenskapligt projekt på Zooniverse-plattformen, där frivilliga kan hjälpa till med forskningen om den typen av nysläckt galax.

Men, medan manetgalaxer är relevanta, de är inte där det nuvarande forskningsprojektet startade. Över lunch i november 2019, Pillepich berättade om ett annat av hennes IllustrisTNG-resultat för Ignacio Martín-Navarro, en astronom specialiserad på observationer, som var på MPIA på ett Marie Curie-stipendium. Ett resultat om påverkan av supermassiva svarta hål som nådde bortom värdgalaxen, in i det intergalaktiska rymden.

Sådana supermassiva svarta hål kan hittas i mitten av alla galaxer. Materia som faller på ett sådant svart hål blir vanligtvis en del av en roterande så kallad ackretionsskiva som omger det svarta hålet, innan de faller ner i själva det svarta hålet. Detta fall på ackretionsskivan frigör en enorm mängd energi i form av strålning, och ofta också i form av två strålar av snabbt rörliga partiklar, som accelererar bort från det svarta hålet i rät vinkel mot ansamlingsskivan. Ett supermassivt svart hål som avger energi på detta sätt kallas en aktiv galaktisk kärna, AGN för kort.

Medan IllustrisTNG inte är tillräckligt detaljerad för att inkludera svarta håls jetstrålar, den innehåller fysiska termer som simulerar hur en AGN tillför energi till den omgivande gasen. Och som simuleringen visade, att energiinjektion kommer att leda till gasutflöden, som i sin tur kommer att orientera sig längs en väg med minsta motstånd:i fallet med skivgalaxer som liknar vår egen Vintergatan, vinkelrätt mot stjärnskivan; för så kallade elliptiska galaxer, vinkelrätt mot ett lämpligt föredraget plan definierat av arrangemanget av galaxens stjärnor.

Över tid, det bipolära gasutflödet, vinkelrätt mot skivan eller föredraget plan, kommer att gå så långt att den påverkar den intergalaktiska miljön – den tunna gasen som omger galaxen. De kommer att trycka bort den intergalaktiska gasen, varje utflöde skapar en gigantisk bubbla. Det var detta konto som fick Pillepich och Martín-Navarro att tänka:Om en satellitgalax skulle passera genom den bubblan – skulle den påverkas av utflödet, och skulle dess stjärnbildningsaktivitet släckas ytterligare?

Martín-Navarro tog upp denna fråga inom sin egen domän. Han hade lång erfarenhet av att arbeta med data från en av de största systematiska undersökningarna hittills:Sloan Digital Sky Survey (SDSS), som ger högkvalitativa bilder av en stor del av norra halvklotet. I de offentligt tillgängliga uppgifterna från den undersökningens tionde data, han undersökte 30, 000 galaxgrupper och kluster, var och en innehåller en central galax och i genomsnitt fyra satellitgalaxer.

I en statistisk analys av dessa tusentals system, han hittade en liten, men markant skillnad mellan satellitgalaxer som var nära centralgalaxens föredragna plan och satelliter som var markant över och under. Men skillnaden var i motsatt riktning som forskarna hade förväntat sig:Satelliter över och under planet, inom de tunnare bubblorna, var i genomsnitt inte mer sannolika, men cirka 5% mindre sannolikt att ha fått sin stjärnbildningsaktivitet släckt.

Med det överraskande resultatet, Martín-Navarro gick tillbaka till Annalisa Pillepich, och de två utförde samma typ av statistisk analys i det virtuella universum av IllustrisTNG-simuleringarna. I simuleringar av det slaget, trots allt, kosmisk evolution sätts inte in "för hand" av forskarna. Istället, programvaran innehåller regler som modellerar fysikens regler för det virtuella universum så naturligt som möjligt, och som även inkluderar lämpliga initiala förhållanden som motsvarar tillståndet i vårt eget universum strax efter Big Bang.

Det är därför som sådana simuleringar lämnar utrymme för det oväntade – i det här speciella fallet, för att återupptäcka planet på planet, off-plane distribution av släckta satellitgalaxer:Det virtuella universum visade samma 5% avvikelse för släckning av satellitgalaxer! Tydligen, forskarna var inne på något.

I tid, Pillepich, Martín-Navarro och deras kollegor kom med en hypotes för den fysiska mekanismen bakom släckningsvariationen. Betrakta en satellitgalax som färdas genom en av de uttunnade bubblorna som det centrala svarta hålet har blåst in i det omgivande intergalaktiska mediet. På grund av den lägre densiteten, att satellitgalaxen upplever mindre motvind, mindre ramtryck, och är därmed mindre benägna att få gasen borttagen.

Sedan, det beror på statistik. För satellitgalaxer som redan har kretsat om samma centrala galaxer flera gånger, korsar bubblor men även regionerna med högre densitet däremellan, effekten kommer inte att märkas. Sådana galaxer kommer att ha förlorat sin gas för länge sedan.

Men för satellitgalaxer som har anslutit sig till gruppen, eller kluster, ganska nyligen, platsen kommer att göra skillnad:Om dessa satelliter råkar landa i en bubbla först, de är mindre benägna att förlora sin gas än om de råkar landa utanför en bubbla. Denna effekt kan förklara den statistiska skillnaden för de släckta satellitgalaxerna.

Med den utmärkta överensstämmelsen mellan de statistiska analyserna av både SDSS-observationerna och IllustrisTNG-simuleringarna, och med en rimlig hypotes för en mekanism, detta är ett mycket lovande resultat. I samband med galaxens evolution, det är särskilt intressant eftersom det bekräftar, indirekt, rollen av aktiva galaktiska kärnor inte bara värmer upp intergalaktisk gas, men aktivt "skjuter bort det", för att skapa regioner med lägre täthet. Och som med alla lovande resultat, det finns nu ett antal naturliga riktningar som antingen Martín-Navarro, Pillepich och deras kollegor eller andra forskare kan ta för att utforska vidare.