När astronomer använder radioteleskop för att blicka in i natthimlen, ser de vanligtvis elliptiskt formade galaxer, med dubbla jetstrålar som spränger från båda sidor om deras centrala supermassiva svarta hål. Men då och då – mindre än 10 % av gångerna – kan astronomer upptäcka något speciellt och sällsynt:en X-formad radiogalax med fyra jetstrålar som sträcker sig långt ut i rymden.

Även om dessa mystiska X-formade radiogalaxer har förvirrat astrofysiker i två decennier, ger en ny Northwestern University-studie ny insikt om hur de bildas – och hur de är förvånansvärt enkelt. Studien fann också att X-formade radiogalaxer kan vara vanligare än man tidigare trott.

Studien kommer att publiceras den 29 augusti i The Astrophysical Journal Letters . Det markerar den första storskaliga simuleringen av galaxaccretion som spårar den galaktiska gasen långt från det supermassiva svarta hålet hela vägen mot den.

Enkla förhållanden leder till rörigt resultat

Med hjälp av nya simuleringar implementerade nordvästra astrofysikerna enkla villkor för att modellera matningen av ett supermassivt svart hål och den organiska bildningen av dess jetstrålar och ackretionsskiva. När forskarna körde simuleringen ledde de enkla förhållandena organiskt och oväntat till bildandet av en X-formad radiogalax.

Överraskande fann forskarna att galaxens karakteristiska X-form berodde på interaktionen mellan strålarna och gasen som faller in i det svarta hålet. Tidigt i simuleringen avledde den infallande gasen de nybildade strålarna, som slogs på och av, vinglade oregelbundet och blåste upp par av håligheter i olika riktningar för att likna en X-form. Så småningom blev strålarna dock starka nog att trycka igenom gasen. Vid denna tidpunkt stabiliserades strålarna, slutade vingla och fortplantade sig längs en axel.

"Vi fann att även med enkla symmetriska initiala förhållanden kan du få ett ganska rörigt resultat", säger Northwesterns Aretaios Lalakos, som ledde studien. "En populär förklaring av X-formade radiogalaxer är att två galaxer kolliderar, vilket får deras supermassiva svarta hål att smälta samman, vilket ändrar spinn av det kvarvarande svarta hålet och strålens riktning. En annan idé är att strålens form förändras som den interagerar med storskalig gas som omsluter ett isolerat supermassivt svart hål. Nu har vi avslöjat, för första gången, att X-formade radiogalaxer faktiskt kan bildas på ett mycket enklare sätt."

Lalakos är doktorand vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences och medlem av Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Han är medrådgiven av pappersmedförfattaren Sasha Tchekhovskoy, en biträdande professor i fysik och astronomi vid Northwestern och nyckelmedlem i CIERA, och Ore Gottlieb, en CIERA-postdoktor.

En oavsiktlig X-form

Även om radiogalaxer sänder ut synligt ljus, omfattar de också stora områden av radioemission. Den kanske mest kända radiogalaxen är M87, en av de mest massiva galaxerna i universum, som blev ytterligare populär 2019 när Event Horizon Telescope avbildade sitt centrala supermassiva svarthål. X-formade radiogalaxer myntades första gången 1992 och utgör mindre än 10 % av alla radiogalaxer.

När Lalakos gav sig ut för att modellera ett svart hål, förväntade han sig inte att simulera en X-formad galax. Istället siktade han på att mäta mängden massa som äts av ett svart hål. Han matade in enkla astronomiska förhållanden i simuleringen och lät den köras. Lalakos insåg från början inte vikten av den framväxande X-formen, men Tchekhovskoy reagerade med entusiastisk glöd.

"Han sa, 'Dude, det här är väldigt viktigt! Det här är en X-form!'" sa Lalakos. "Han berättade för mig att astronomer har observerat detta i verkligheten och inte visste hur de bildades. Vi skapade det på ett sätt som ingen ens hade spekulerat tidigare."

I tidigare simuleringar har andra astrofysiker försökt skapa X-formade strukturer på konstgjord väg för att studera hur de uppstår. Men Lalakos simulering ledde organiskt till X-formen.

"I min simulering försökte jag inte anta något," sa Lalakos. "Vanligtvis lägger forskare ett svart hål i mitten av ett simuleringsnät och placerar en stor, redan formad gasskiva runt den, och sedan kan de lägga till omgivande gas utanför skivan. I den här studien börjar simuleringen utan skiva, men snart bildas en när den roterande gasen kommer närmare det svarta hålet. Den här skivan matar sedan det svarta hålet och skapar jetstrålar. Jag gjorde de enklaste möjliga antagandena, så hela resultatet var en överraskning. Det här är första gången någon har sett X -formad morfologi i simuleringar från mycket enkla initiala förhållanden."

'Inte turen att se dem'

Eftersom X-formen bara dök upp tidigt i simuleringen – tills strålarna stärktes och stabiliserades – tror Lalakos att X-formade radiogalaxer kan förekomma oftare, men varar mycket kort, i universum än man tidigare trott.

"De kan uppstå varje gång det svarta hålet får ny gas och börjar äta igen," sa han. "Så de kan hända ofta, men vi kanske inte har turen att se dem eftersom de bara händer så länge som kraften i jetplanen är för svag för att trycka bort gasen."

Därefter planerar Lalakos att fortsätta köra simuleringar för att bättre förstå hur dessa X-former uppstår. Han ser fram emot att experimentera med storleken på ackretionsskivorna och spinn av centrala svarta hål. I andra simuleringar inkluderade Lalakos ackretionsskivor som var nästan obefintliga hela vägen upp till extremt stora – ingen ledde till den svårfångade X-formen.

"För det mesta av universum är det omöjligt att zooma in precis i mitten och se vad som händer mycket nära ett svart hål," sa Lalakos. "Och även de saker vi kan observera är vi begränsade av tid. Om det supermassiva svarta hålet redan är bildat kan vi inte observera dess utveckling eftersom människans livstid är för kort. I de flesta fall förlitar vi oss på simuleringar för att förstå vad som händer nära en svart hål."

Studien har titeln "Bridging the Bondi and Event Horizon Scales:3D GRMHD-simuleringar avslöjar X-formad radiogalaxmorfologi." + Utforska vidare

NGC 541 ger bränsle till en oregelbunden galax i ny Hubble-bild