Около десяти лет назад астрономы открыли популяцию небольших, но массивных галактик, которые они назвали Red Nuggets, то есть «красные самородки». Новое исследование, проведенное с помощью рентгеновского телескопа NASA Chandra, показало: черные дыры затормаживали звездообразование в этих галактиках, отбирая у них часть неиспользованного звездного топлива, что позволило им стать необычно массивными.

Художественное изображение черной дыры в красной галактике-самородке (большой рисунок) и снимок на основе рентгеновских данных телескопа Chandra (маленький рисунок). © X-ray: NASA / CXC / MTA-Eötvös University / N. Werner et al.; Illustration: NASA / CXC / M.Weiss

«Красные самородки» впервые были открыты космическим телескопом Hubble на огромном расстоянии от Земли, которое соответствует периоду в три-четыре миллиарда лет после Большого взрыва. Они представляют собой реликты первых массивных галактик, образовавшихся в первые миллиарды лет после Большого взрыва. Астрономы предполагают, что они были предшественниками гигантских эллиптических галактик, какие наблюдаются в локальной вселенной. Массы красных галатик-самородков сравнимы с массой гигантских эллиптических галактик, но их размеры не превышают пятой части эллиптических гигантов.

В то время как большинство красных самородков в течение миллиардов лет слились с другими галактиками, малая часть таковых осталась на протяжении долгой истории вселенной нетронутыми. Эти нетронутые красные галактики-самородки представляются уникальной возможностью для исследований, как галактики и сверхмассивные черные дыры в их центрах взаимодействовали в изоляции миллиарды лет.

Chandra впервые используется для того, чтобы исследовать горячий газ в двух изолированных красных самородках, в частности, в MRK 1216 и PGC 032873. Они располагаются в 295 миллионах и в 344 миллионах световых лет от Земли соответственно – в отличие от миллиардов световых лет, отделяющих нас от первых открытых красных самородков. Этот горячий газ испускает рентгеновское излучение и содержит отпечаток активности, создаваемой сверхмассивными черными дырами в обеих галактиках.

«Эти галактики существуют 13 миллиардов лет, ни разу за это время не вступая во взаимодействие с другими подобными экземплярами», - говорит Норберт Вернер из группы горячей вселенной и астрофизических исследований университета MTA-Eötvös в Будапеште, руководитель исследования. - «Мы видим, что черные дыры в этих галактиках стали решающей силой, и это оказалось совсем нехорошо для образования новых звезд».

Астрономам уже давно известно, что часть материи, которая устремляется к черным дырам, по причине сильных гравитационных и магнитных полей с высокой скоростью перенаправляется наружу. И такие высокоскоростные струи могут представлять собой препятствие для образования новых звезд. Это происходит вследствие того, что выбросы из окружения черной дыры представляют собой мощный источник тепла, который не дает охлаждаться горячему межзвездному газу в галактике, по причине чего образование большого количества звезд становится невозможным.

Температура горячего газа – в сравнении с его окружением – в центре галактики MRK 1216 значительно выше и несет на себе отпечаток воздействия кратковременного нагрева черной дырой. Кроме того, из центра галактики принимаются радиоэмиссии – отпечаток струй черной дыры. А рентгеновские эмиссии из окружения черной дыры примерно в сто миллионов раз меньше теоретического предела того, насколько быстро может расти черная дыра. Такой предел называется пределом Эддингтона и описывает регион, где направленное наружу давление излучения уравновешивается направленной внутрь силой гравитации.

Слабые рентгеновские эмиссии типичны для черных дыр, испускающих струи. Все эти факторы обеспечивают убедительные доказательства того, что вызванная центральными сверхмассивными черным дырами активность в этих красных галактиках-самородках действительно подавляет образование новых звезд.

Черные дыры и горячий газ могли бы иметь и другое сочетание. Авторы предполагают, что большая часть их массы может происходить из горячего газа, окружающего обе галактики. Черные дыры в MRK 1216 и PGC 032873 относятся к наиболее массивным из всех известных до сих пор черных дыр, при этом массы их равны примерно пяти миллиардам солнечных масс. Оценки основываются на оптических наблюдениях скоростей звезд вблизи галактических центров.

Кроме того, масса черной дыры в MRK 1216, а возможно и масса черной дыры в PGC 032873, может составлять несколько процентов общей массы всех звезд в центральных регионах соответствующих галактик. И это при том, что в большинстве галактик это соотношение примерно в десять раз меньше.

«Такие не зависящие ни от чего черные дыры ведут себя подобно неконтролируемому хаму», - говорит соавтор исследования Киран Лакчаура из университета MTA-Eötvös.

«Они не только препятствуют появлению новых звезд», - говорит еще один соавтор Массимо Гаспари, эйнштейновский стипендиат Принстонского университета. - «Они могут отбирать часть галактической материи, которая служит им пищей».

Горячий газ внутри и вокруг PGC 032873 примерно в десять раз более слабый, чем газ вокруг MRK 1216. Так как обе галактики на протяжении прошедших 13 миллиардов лет, как это представляется, развивались в полной изоляции, эта разница может объясняться более сильными выбросами черной дыры в PGC 032873 , которые и «выдули» большую часть горячего газа.

«Данные телескопа Chandra дали нам очень много новых знаний о том, как выглядело длительное путешествие в одиночестве красных галактик-самородков сквозь космические эпохи», - говорит еще один член группы Ребекка Каннинг из Стенфордского университета. - «Но хотя галактики не взаимодействовали с другими, они проявляли значительные внутренние беспокойства».