Supermassivt svart hål tycks växa som en babystjärna gör

De flesta galaxer, vår egen Vintergatan inräknad, har ett supermassivt svart hål i sitt centrum. En fråga som länge gäckat astronomer är hur dessa häpnadsväckande tunga objekt växer för att kunna väga lika mycket som miljoner eller till och med miljarder stjärnor.

På jakt efter ledtrådar till detta mysterium valde ett team av forskare ledda av Mark Gorski (Northwestern University, USA, och Chalmers) och Susanne Aalto (Chalmers) att studera den relativt närliggande galaxen ESO320-G030, på ett avstånd av “bara” 120 miljoner ljusår. Det är en mycket aktiv galax, där stjärnor bildas i tio gånger snabbare takt än i Vintergatan.

– Eftersom den här galaxen lyser mycket starkt i infrarött ljus kan teleskop urskilja spännande detaljer i dess mitt. Vi ville mäta ljus från molekyler som bärs av vindar från galaxens kärna, i hopp om att spåra hur vindarna skickas iväg av ett växande, eller snart växande, supermassivt svart hål. Genom att använda Alma kunde vi studera ljus som tränger genom de tjocka lager av damm och gas som döljer galaxens centrum, säger Susanne Aalto, professor i radioastronomi vid Chalmers.

Molekylerna avslöjade vinden

För att kunna se tät gas så nära det centrala svarta hålet som möjligt studerade forskarna ljus från molekyler av blåsyra (HCN). Tack vare Almas förmåga att avbilda små detaljer och spåra rörelser i gasen – med hjälp av dopplereffekten – upptäckte de mönster som skvallrade om att här finns en roterande, magnetiserad vind.

I andra galaxers mitt kan vindar och jetstrålar trycka bort material från det supermassiva svarta hålet. Här tyder den nyupptäckta vinden på en annan process som istället kan mata det svarta hålet, och hjälpa det att växa.

– Vi kan se hur vindarna bildar en spiralformad struktur som böljar ut från galaxens centrum. När vi mätte rotation, massa och hastighet för materialet som strömmar utåt, blev vi förvånade över att vi kunde utesluta många förklaringar till var vindens kraft har sitt ursprung, till exempel stjärnbildning. Istället kan flödet utåt drivas av inflödet av gas och tycks hållas samman av magnetfält, säger Susanne Aalto.

Forskarna tror att den roterande magnetiska vinden indirekt hjälper det svarta hålet att växa.

Materia åker i cirklar runt det svarta hålet innan det kan falla in, som vatten i ett avlopp. Materian som närmar sig det svarta hålet samlas därmed i en kaotisk, snurrande skiva. Där kan magnetfält utvecklas och bli starkare. Tack vare magnetfälten kan materia lyftas bort från galaxen, och det är detta som skapar den spiralformade vinden. Att förlora materia till vinden saktar också ner den snurrande skivan. Det i sin tur leder till att materia lättare kan falla in i det svarta hålet, och gå från att ”droppa” in till en strid ström.

Liknar hur stjärnor föds

För Mark Gorski är detta slående likt en annan miljö där liknande fenomen utspelar sig: virvlarna av gas och damm som leder till födelsen av nya stjärnor och planeter.

– Det är välkänt att stjärnor i sina tidigaste utvecklingsstadier växer med hjälp av roterande vindar. De accelereras också av magnetfält precis som vinden i denna galax. Våra observationer visar att supermassiva svarta hål och små stjärnor kan växa genom liknande processer, men i väldigt olika skalor, säger Mark Gorski.

Kan denna upptäckt vara en ledtråd till att lösa gåtan om hur supermassiva svarta hål växer? Framöver vill Mark Gorski, Susanne Aalto och deras kollegor studera andra galaxer där spiralformiga utflöden kan ligga dolda i deras kärnor.

– Långt ifrån alla frågor om den här processen är besvarade. I våra observationer ser vi tydliga bevis på en roterande vind som hjälper till att reglera tillväxten av galaxens centrala svarta hål. Nu när vi vet vad vi ska leta efter är nästa steg att ta reda på hur vanligt förekommande detta kan vara. Och om detta är ett stadium som alla galaxer med supermassiva svarta hål går igenom, vad händer med dem sedan? frågar Mark Gorski.

Mer om forskningen:

Forskningen presenteras i artikeln "A spectacular galactic scale magnetohydrodynamic powered wind in ESO 320-G030" i tidskriften Astronomy and Astrophysics.

Forskarna som är involverade i studien är Mark Gorski, Susanne Aalto, Sabine König, Clare F. Wethers, Chentao Yang, Sebastien Muller, Kyoko Onishi, Mamiko Sato, Niklas Falstad,, J. G. Mangum, S. T. Linden, F. Combes, S. Martín, M. Imanishi, K. Wada, L. Barcos-Muñoz, F. Stanley, S. García-Burillo, P. P. van der Werf, A. S. Evans, C. Henkel, S. Viti, N. Harada, T. Díaz-Santos, J. S. Gallagher och E. González-Alfonso.

Under studiens gång var forskarna aktiva vid Chalmers, Sverige; National Radio Astronomy Observatory, USA; University of Massachusetts at Amherst, USA; PSL-Universitetet, France; ESO, Chile; Japans Nationella astronomiska observatorium; Kagoshima-universitetet, Japan; University of Virginia, USA; Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), Frankrike; Observatorio Astronómico Nacional (OAN-IGN), Spanien; Leidenuniversitetet, Nederländerna; Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Tyskland; Chinese Academy of Sciences, Kina; King Abdulaziz University, Saudiarabien; University College London, Storbritannien; Graduate Institute for Advanced Studies, Japan; Foundation for Research and Technology-Hellas (FORTH), Grekland; European University Cyprus, University of Wisconsin, USA; Universidad de Alcalá, Spanien; och Northwestern University, USA.