Астрономы выяснили, как галактики избегают ранней гибели

В большинстве спиральных галактик есть регионы звездообразования. Основной строительный материал для них — газообразный водород с незначительным количеством более тяжелых элементов. У первых галактик во Вселенной были гигантские запасы «топлива», и, по идее, они должны были быстро сгореть. Всплеск звездообразования не мог бы длиться долго, и галактики быстро выдохлись бы, но, кажется, они умеют отсрочить свою гибель благодаря расположенным в их ядрах супермассивным черным дырам.

Галактики развиваются под влиянием взаимодействия между межзвездной средой и окружающим их газовым гало, известным как окологалактическая среда (circum-galactic medium). Хотя гало существенно менее плотное, чем межзвездная среда, в нем в три-пять раз больше барионов и тяжелых элементов. Тем не менее оценки скорости образования звезд во многих галактиках ниже, чем ожидалось.

Ученые объясняют этот парадокс тем, что релятивистские джеты — две разнонаправленные струи плазмы из активных ядер галактик — могут нагревать окологалактическую среду и смягчать потоки. Чтобы в этом разобраться, ученые из Университета Кента (Великобритания) исследовали шоковую структуру джетов с помощью осесимметричных гидродинамических моделей при М=2 (число Маха). В новой работе, опубликованной в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, исследователи уточнили модели и дали объяснения некоторым наблюдаемым явлениям.

Авторы статьи сравнили черную дыру в центре галактики с сердцем, а струи — с воздухом, поступающим в дыхательные пути и наполняющим легкие. Во время «выдоха» в джете появляются зоны аномально высокого давления, создающие, в свою очередь, ударные волны. Их фронт движется вперед и назад вдоль обеих осей, подобно тому, как диафрагма вздымается и опускается, наполняя легкие воздухом.

Продолжая аналогию, как наше дыхание нагревает холодный воздух, так ударные волны джетов передают свою энергию окружающей среде и делают ее теплее. Это, в свою очередь, замедляет охлаждение и аккрецию из окологалактической среды.

Идея принадлежит аспиранту Карлу Ричардсу, первому автору статьи, который с помощью моделирования исследовал роль сверхзвуковых потоков в замедлении роста галактик. Ученый создал симуляцию пульсирования черной дыры и формирования в джетах зон аномального давления — как при гипертонии у людей. По словам Ричардса, джеты работали как кузнечные мехи, порождая звуковые волны, словно рябь на поверхности пруда. Это может объяснить наблюдения ряби в галактических скоплениях Персея и Центавра.

По словам ученых, процессы, которые происходят в джетах с зонами аномально высокого давления, можно сравнить со звуком при открытии бутылки шампанского или прокалывании надутого пакета.

В целом модель объясняет, почему приток холодного газа из гало сдерживается. Теперь нужно подробнее изучить степень и эффективность передачи энергии, возможность перегрева, а также провести расчеты с большим значением числа Маха, которое имеет для модели, по словам авторов, критическое значение.