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Meine Frage ist hypothetisch: Wenn ich in New York ein Schwarzes Loch von der Größe eines Einfamilienhauses erschaffen würde, kann es dann irgendwie gestoppt oder unterbrochen werden? Wenn ein Schwarzes Loch dieser Größe entsteht, werden dann alle sterben?
Dein Schwarzes Loch ist ziemlich massiv. Es hat eine Masse, die viel größer ist als die Masse der Erde (etwa das 1000-fache der Masse der Erde. Und der Rest der Erde bewegt sich relativ zum Schwarzen Loch nicht sehr schnell. Also in kurzer Zeit short Alles fällt in das Schwarze Loch. Dies wird ein ziemlich energetischer Prozess sein, bei dem viel Strahlung hoher Intensität abgegeben wird. Aber kurz gesagt "jeder stirbt" und das ziemlich schnell.
Nein. Der einzige Effekt, der die Entstehung eines Schwarzen Lochs umkehren könnte, ist die Hawking-Strahlung. Damit die Hawking-Strahlung die Größe des Schwarzen Lochs tatsächlich verringert, muss die Temperatur des BH niedriger sein als die Temperatur seiner Umgebung, da es sonst mehr Energie aus der Wärme der Umgebung absorbiert als es abstrahlt, und wird somit zu mit der Zeit größer, auch wenn es kein Material ansaugt.
Damit ein Schwarzes Loch kühler ist als der Weltraum um die Erde herum, wäre eine Schwarze Lochgröße von nur wenigen Mikrometern erforderlich, viel kleiner als Ihr hausgroßes Schwarzes Loch (das übrigens mehrere Größenordnungen schwerer sein wird als die gesamte Erde; Die Erde hätte, wenn sie in eine BH verwandelt würde, einen Radius von etwa 3 cm oder einem Zoll).
Auch wenn Ihr Schwarzes Loch kleiner wäre, würde es beim Verdampfen eine ziemlich intensive Strahlung verursachen, die uns alle töten könnte - dies hängt wirklich von der Größe ab, aber Masse hat tendenziell viel Energie.
Astronomen erklären das Mysterium der magnetisch angetriebenen Jets, die von supermassereichen Schwarzen Löchern erzeugt werden
Eine Simulation der mächtigen Jets, die von supermassiven Schwarzen Löchern in den Zentren der größten Galaxien erzeugt werden, erklärt, warum einige als helle Leuchtfeuer im ganzen Universum sichtbar werden, während andere auseinanderfallen und niemals den Halo der Galaxie durchdringen.
Bei etwa 10 Prozent aller Galaxien mit aktiven Kernen – von denen alle angenommen werden, dass sie supermassereiche Schwarze Löcher innerhalb der zentralen Ausbuchtung haben – werden Gasstrahlen beobachtet, die in entgegengesetzte Richtungen aus dem Kern spritzen. Das heiße ionisierte Gas wird durch die verdrehenden Magnetfelder des rotierenden Schwarzen Lochs angetrieben, das bis zu mehreren Milliarden Sonnen groß sein kann.
Ein 40 Jahre altes Rätsel war, warum einige Jets kräftig sind und aus der Galaxie in den intergalaktischen Raum schießen, während andere schmal sind und oft verpuffen, bevor sie den Rand der Galaxie erreichen. Die Antwort könnte Aufschluss darüber geben, wie sich Galaxien und ihre zentralen Schwarzen Löcher entwickeln, da angenommen wird, dass abgebrochene Jets die Galaxie aufwühlen und die Sternentstehung verlangsamen, während sie gleichzeitig das Einströmen von Gas verlangsamen, das das gefräßige Schwarze Loch nährt. Das Modell könnte Astronomen auch helfen, andere Arten von Jets zu verstehen, beispielsweise die von einzelnen Sternen erzeugten, die wir als Gammastrahlenausbrüche oder Pulsare sehen.
"Während es ziemlich einfach war, die stabilen Jets in Simulationen zu reproduzieren, stellte es sich als extreme Herausforderung heraus, zu erklären, was den Zerfall der Jets verursacht", sagte der theoretische Astrophysiker Alexander Tchekhovskoy von der University of California in Berkeley, ein Postdoktorand der NASA Einstein, der das Projekt leitete. "Um zu erklären, warum einige Jets instabil sind, mussten die Forscher auf Erklärungen zurückgreifen, wie etwa rote Riesensterne im Weg der Jets, die die Jets mit zu viel Gas beladen und sie schwer und instabil machen, so dass die Jets auseinanderfallen."
Unter Berücksichtigung der Magnetfelder, die diese Jets erzeugen, entdeckten Tchekhovskoy und sein Kollege Omer Bromberg, ein ehemaliger Lyman Spitzer Jr.-Postdoktorand an der Princeton University, dass magnetische Instabilitäten im Jet ihr Schicksal bestimmen. Wenn der Strahl nicht stark genug ist, um das umgebende Gas zu durchdringen, wird der Strahl schmal oder kollimiert, eine Form, die zum Knicken und Brechen neigt. Wenn dies geschieht, spuckt das heiße ionisierte Gas, das durch das Magnetfeld geleitet wird, in die Galaxie und bläst eine heiße Gasblase auf, die die Galaxie im Allgemeinen aufheizt.
Neue Simulationen der magnetisch angetriebenen Jets, die von rotierenden supermassiven Schwarzen Löchern in den Kernen von Galaxien erzeugt werden, zeigen, wie sich die korkenzieherischen Magnetfelder (weiße Kringel) mit ausreichender Leistung durch das umgebende Gas drängen und aus der Galaxie herausbohren, um heißes Gas zu kanalisieren ins interstellare Medium. Quelle: Simulationen von Alexander Tchekhovskoy, UC Berkeley, und Omer Bromberg, Hebrew University.
Leistungsstarke Jets sind jedoch breiter und können durch das umgebende Gas in das intergalaktische Medium eindringen. Die bestimmenden Faktoren sind die Leistung des Jets und wie schnell die Gasdichte mit der Entfernung abnimmt, typischerweise abhängig von der Masse und dem Radius des Galaxienkerns.
Die Simulation, die gut mit den Beobachtungen übereinstimmt, erklärt die so genannte morphologische Dichotomie von Jets nach Fanaroff-Riley, die erstmals 1974 von Bernie Fanaroff aus Südafrika und Julia Riley aus Großbritannien aufgezeigt wurde.
"Wir haben gezeigt, dass ein Jet ohne äußere Störung auseinander fallen kann, nur wegen der Physik des Jets", sagte Tchekhovskoy. Er und Bromberg, der derzeit an der Hebrew University of Jerusalem in Israel ist, werden ihre Simulationen am 17. Juni in der Zeitschrift veröffentlichen Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society, eine Veröffentlichung der Oxford University Press.
Das supermassive Schwarze Loch im gewölbten Zentrum dieser massereichen Galaxien ist wie eine entkernte Olive, die sich um eine Achse durch das Loch dreht, sagte Tchekhovskoy. Wenn Sie einen Spaghettistrang durch das Loch fädeln, der ein Magnetfeld darstellt, dann wickelt die sich drehende Olive die Spaghetti wie eine Feder auf. Die sich drehenden, gewickelten Magnetfelder wirken wie ein flexibler Bohrer, der versucht, das umgebende Gas zu durchdringen.
Die Simulation, die ausschließlich auf Magnetfeldwechselwirkungen mit ionisierten Gaspartikeln basiert, zeigt, dass sich der Magnetbohrer verbiegt und aufgrund der magnetischen Knickinstabilität bricht, wenn der Strahl nicht stark genug ist, um ein Loch durch das umgebende Gas zu stanzen. Ein Beispiel für diese Art von Jet ist in der Galaxie M87 zu sehen, einem der der Erde am nächsten gelegenen Jets in einer Entfernung von etwa 50 Millionen Lichtjahren, und hat ein zentrales Schwarzes Loch mit etwa 6 Milliarden Sonnen.
Schwächere Jets bleiben in der Galaxie stehen, da die magnetischen Korkenzieher aufgrund der Knickinstabilität auseinanderfallen. Als Ergebnis wird das heiße ionisierte Gas oder Plasma, das durch das Magnetfeld kanalisiert wird, in eine sich ausdehnende Blase geworfen, die die gesamte Galaxie aufheizt. Diese blockierten Jets können Teil des Rückkopplungsmechanismus des Schwarzen Lochs sein, der das Einströmen von Gas, das das Schwarze Loch speist, periodisch stoppt. Quelle: Simulationen von Alexander Tchekhovskoy, UC Berkeley, und Omer Bromberg, Hebrew University.
„Wenn ich auf einen Jet springen und damit fliegen würde, würde ich sehen, wie der Jet aufgrund einer Knickinstabilität im Magnetfeld herumwackelt“, sagte Tchekhovskoy um die Spitze zu erreichen, fällt der Jet auseinander. Wenn die Instabilität langsamer wächst, als das Gas von der Basis zur Spitze des Jets strömt, bleibt der Jet stabil."
Der Jet in der etwa 600 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernten Galaxie Cygnus A ist ein Beispiel für starke Jets, die in den intergalaktischen Raum eindringen.
Tchekhovskoy argumentiert, dass die instabilen Jets zu einer sogenannten Rückkopplung von Schwarzen Löchern beitragen, dh einer Reaktion des Materials um das Schwarze Loch herum, die dazu neigt, seine Gasaufnahme und damit sein Wachstum zu verlangsamen. Instabile Jets deponieren viel Energie in der Galaxie, die das Gas aufheizt und verhindert, dass es in das Schwarze Loch fällt. Jets und andere Prozesse halten die Größe supermassereicher Schwarzer Löcher effektiv unter etwa 10 Milliarden Sonnenmassen, obwohl Astronomen der UC Berkeley kürzlich Schwarze Löcher mit Massen nahe 21 Milliarden Sonnenmassen gefunden haben.
Vermutlich starten und stoppen diese Jets und dauern vielleicht 10 bis 100 Millionen Jahre, wie Bilder einiger Galaxien nahelegen, die mehr als einen Jet zeigen, von denen einer alt und zerfetzt ist. Offensichtlich durchlaufen Schwarze Löcher Esszyklen, die teilweise durch den gelegentlichen instabilen Jet unterbrochen werden, der ihnen im Wesentlichen ihre Nahrung wegnimmt.
Die Simulationen wurden auf dem Savio-Computer an der UC Berkeley, Darter am National Institute for Computational Sciences an der University of Tennesee, Knoxville, und auf Stampede-, Maverick- und Ranch-Computern am Texas Advanced Computing Center an der University of Texas in Austin ausgeführt. Die gesamte Simulation dauerte auf 2.000 Computerkernen etwa 500 Stunden, das entspricht 1 Million Stunden auf einem Standard-Laptop.
Die Forscher verbessern ihre Simulation, um die geringeren Auswirkungen der Schwerkraft, des Auftriebs und des thermischen Drucks der interstellaren und intergalaktischen Medien zu berücksichtigen.
Astronomen haben eine seltene Galaxie entdeckt, die die Sternentstehung stoppt
Ein kalter Quasar (dargestellt) ist eine Galaxie, die einen letzten Atemzug der Sternentstehung durchmacht, wenn ihr zentrales supermassives Schwarzes Loch erwacht. Astronomen gehen davon aus, dass das Schwarze Loch innerhalb weniger hundert Millionen Jahre Staub und Gas aus der Galaxie blasen und die Sternentstehung stoppen wird.
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20. Januar 2021 um 6:00 Uhr
Eine ferne Galaxie wurde dabei erwischt, wie sie sich abschaltet.
Die Galaxie mit dem Namen CQ 4479 bildet immer noch viele neue Sterne. Aber es hat auch ein aktiv nährendes supermassives Schwarzes Loch in seinem Zentrum, das die Sternentstehung innerhalb weniger hundert Millionen Jahre zum Erliegen bringen wird, berichteten Astronomen am 11. Januar auf dem virtuellen Treffen der American Astronomical Society. Das Studium dieser Galaxie und anderer ähnlicher Galaxien wird Astronomen helfen, genau herauszufinden, wie solche Abschaltungen passieren.
„Wie Galaxien genau sterben, ist eine offene Frage“, sagt die Astrophysikerin Allison Kirkpatrick von der University of Kansas in Lawrence. „Das könnte uns viele Einblicke in diesen Prozess geben.“
Astronomen glauben, dass Galaxien normalerweise mit einer Leidenschaft beginnen, neue Sterne zu erschaffen. Die Sterne entstehen aus Taschen aus kaltem Gas, die sich unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenziehen und in ihren Zentren die Kernfusion zünden. Aber irgendwann stört etwas den kalten Sternentstehungsbrennstoff und schickt ihn in Richtung des supermassereichen Schwarzen Lochs im Kern der Galaxie. Dieses Schwarze Loch verschlingt das Gas und erhitzt es weißglühend. Ein sich aktiv ernährendes Schwarzes Loch kann aus Milliarden von Lichtjahren Entfernung gesehen werden und wird als Quasar bezeichnet. Die Strahlung des heißen Gases pumpt zusätzliche Energie in den Rest der Galaxie, bläst das verbleibende Gas weg oder erhitzt es, bis die Sternentstehungsfabrik endgültig schließt (SN: 3/5/14).
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Dieses Bild passt zu den Arten von Galaxien, die Astronomen typischerweise im Universum sehen: „blaue und neue“ Sternbildner und „rote und tote“ schlafende Galaxien. Aber bei der Untersuchung von Daten aus großen Himmelsvermessungen bemerkten Kirkpatrick und Kollegen einen anderen Typ. Das Team fand etwa zwei Dutzend Galaxien, die energiereiche Röntgenstrahlen aussenden, die für ein aktiv verschlingendes Schwarzes Loch charakteristisch sind, aber auch in energiearmem Infrarotlicht leuchten, was zeigt, dass sich irgendwo in den Galaxien noch kaltes Gas befindet. Kirkpatrick und Kollegen nannten diese Galaxien in einem Artikel vom 1. September „kalte Quasare“. Astrophysikalisches Journal.
„Wenn Sie ein Schwarzes Loch sehen, das aktiv Material ansammelt, erwarten Sie, dass die Sternentstehung bereits abgeschlossen ist“, sagt Co-Autor und Astrophysiker Kevin Cooke, ebenfalls von der University of Kansas, der die Forschung auf dem Treffen vorstellte. "Aber kalte Quasare befinden sich in einer seltsamen Zeit, in der das Schwarze Loch in der Mitte gerade erst begonnen hat, sich zu ernähren."
Um einzelne kalte Quasare genauer zu untersuchen, verwendeten Kirkpatrick und Cooke SOFIA, ein Flugzeug, das mit einem Teleskop ausgestattet ist, das in einem Bereich von Infrarotwellenlängen sehen kann, den die ursprünglichen Beobachtungen von kalten Quasaren nicht abdeckten. SOFIA untersuchte im September 2019 CQ 4479, einen kalten Quasar, der etwa 5,25 Milliarden Lichtjahre entfernt ist.
Die Beobachtungen zeigten, dass CQ 4479 etwa die 20-Milliarden-fache Sonnenmasse in Sternen hat und etwa 95 Sonnen pro Jahr hinzufügt. (Das ist eine rasende Geschwindigkeit im Vergleich zur Milchstraße, die unsere Heimatgalaxie pro Jahr zwei oder drei Sonnenmassen neuer Sterne baut.) Das zentrale Schwarze Loch von CQ 4479 ist 24 Millionen Mal so massiv wie die Sonne und wächst mit etwa 0,3 Sonnenmassen pro Jahr. In Bezug auf den Prozentsatz ihrer Gesamtmasse wachsen die Sterne und das Schwarze Loch im gleichen Tempo, sagt Kirkpatrick.
Der kalte Quasar CQ 4479, der blaue, unscharfe Punkt in der Mitte dieses Bildes, zeigte sich in Bildern des Sloan Digital Sky Survey. Der rote Punkt in der Nähe könnte eine andere Galaxie sein, die mit CQ 4479 interagiert, oder er könnte nichts damit zu tun haben. K. C. Koch et al/arxiv.org 2020, Sloan Digital Sky Survey
Diese Art von „Evolution im Gleichschritt“ widerspricht Theorien darüber, wie Galaxien wachsen und schwinden. „Sie sollten zuerst alle Ihre Sterne zu Ende wachsen lassen und dann wächst Ihr Schwarzes Loch“, sagt Kirkpatrick. „Diese [Galaxie] zeigt, dass es eine Zeit gibt, in der sie tatsächlich zusammenwachsen.“
Cooke und Kollegen schätzten, dass die Galaxie in einer halben Milliarde Jahren 100 Milliarden Sonnenmassen von Sternen beherbergen wird, aber ihr Schwarzes Loch wird passiv und ruhig sein. Das gesamte kalte Sternentstehungsgas wird sich erhitzt oder weggeblasen haben.
Die Beobachtungen von CQ 4479 untermauern die allgemeinen Vorstellungen vom Sterben von Galaxien, sagt die Astronomin Alexandra Pope von der University of Massachusetts Amherst, die nicht an der neuen Arbeit beteiligt war. Da Galaxien irgendwann ihre Sternentstehung abschalten, ist es sinnvoll, dass es eine Übergangszeit geben sollte. Die Ergebnisse seien eine „Bestätigung dieser wichtigen Phase in der Entwicklung von Galaxien“, sagt sie. Ein genauerer Blick auf weitere kalte Quasare wird Astronomen helfen herauszufinden, wie schnell Galaxien sterben.
Fragen oder Anmerkungen zu diesem Artikel? Senden Sie uns eine E-Mail an [email protected]
Eine Version dieses Artikels erscheint in der Ausgabe vom 13. Februar 2021 von Wissenschaftsnachrichten.
Zitate
K. C. Koch et al. Sterben des Lichts: Kalte Quasare und das Herunterfahren des Galaxienwachstums. Treffen der American Astronomical Society, 11. Januar 2021.
0.405. Das Astrophysikalische Journal. vol. 903, 10. November 2020. doi: 10.3847/1538-4357/abb94a.
A. Kirkpatrick et al. Die Akkretionsgeschichte von AGN: Eine neu definierte Population von kalten Quasaren. Das Astrophysikalische Journal. Band 900, 1. September 2020. doi: 10.3847/1538-4357/aba358.
Über Lisa Grossmann
Lisa Grossman ist die Astronomie-Autorin. Sie hat einen Abschluss in Astronomie der Cornell University und ein Diplom in Science Writing der University of California, Santa Cruz. Sie lebt in der Nähe von Boston.
„Perfekter Sturm“ löscht die Sternentstehung um ein supermassives Schwarzes Loch
Hochenergetische Jets, die von supermassiven Schwarzen Löchern angetrieben werden, können den Sternentstehungstreibstoff einer Galaxie wegsprengen, was zu sogenannten "roten und toten" Galaxien führt: solche, die voller alter roter Sterne sind, aber wenig oder kein Wasserstoffgas enthalten, um neue zu erschaffen.
Jetzt haben Astronomen mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) entdeckt, dass Schwarze Löcher nicht annähernd so stark sein müssen, um die Sternentstehung zu stoppen. Durch die Beobachtung von Staub und Gas im Zentrum von NGC 1266, einer nahegelegenen linsenförmigen Galaxie mit einem relativ bescheidenen zentralen Schwarzen Loch, haben die Astronomen einen "perfekten Sturm" aus Turbulenzen entdeckt, der die Sternentstehung in einer ansonsten idealen Region unterdrückt Sternenfabrik.
Diese Turbulenzen werden durch Jets aus dem zentralen Schwarzen Loch der Galaxie aufgewirbelt, die in eine unglaublich dichte Gashülle prallen. Diese dichte Region, die das Ergebnis einer kürzlichen Verschmelzung mit einer anderen kleineren Galaxie sein könnte, hindert fast 98 Prozent des von den Jets angetriebenen Materials daran, das galaktische Zentrum zu verlassen.
„Wie eine unaufhaltsame Kraft, die auf ein unbewegliches Objekt trifft, treffen die Partikel in diesen Jets auf so viel Widerstand, wenn sie auf das umgebende dichte Gas treffen, dass sie fast vollständig gestoppt werden“, sagte Katherine Alatalo, Astronomin am Infrared Processing and Analysis Center am California Institute of Technology in Pasadena und Hauptautor eines im Astrophysical Journal veröffentlichten Artikels. Diese energetische Kollision erzeugt starke Turbulenzen im umgebenden Gas, die das erste kritische Stadium der Sternentstehung stören. "Was wir also sehen, ist die stärkste Unterdrückung der Sternentstehung, die jemals beobachtet wurde", bemerkte Alatalo.
Frühere Beobachtungen von NGC 1266 zeigten einen breiten Gasausfluss aus dem galaktischen Zentrum mit einer Geschwindigkeit von bis zu 400 Kilometern pro Sekunde. Alatalo und ihre Kollegen schätzen, dass dieser Ausfluss so stark ist wie die gleichzeitige Supernova-Explosion von 10.000 Sternen. Die Düsen sind zwar stark genug, um das Gas zu rühren, aber nicht stark genug, um ihm die Geschwindigkeit zu verleihen, die es braucht, um aus dem System zu entweichen.
"Eine andere Sichtweise ist, dass die Jets Turbulenzen in das Gas injizieren und es daran hindern, sich niederzulassen, zu kollabieren und Sterne zu bilden", sagte der Astronom und Co-Autor des National Radio Astronomy Observatory, Mark Lacy.
Die von ALMA beobachtete Region enthält etwa das 400-Millionen-fache der Masse unserer Sonne an Sternentstehungsgas, das ist 100-mal mehr als in riesigen sternbildenden Molekülwolken in unserer eigenen Milchstraße. Normalerweise sollte ein so konzentriertes Gas Sterne mindestens 50-mal schneller produzieren, als die Astronomen in dieser Galaxie beobachten.
Zuvor glaubten Astronomen, dass nur extrem starke Quasare und Radiogalaxien Schwarze Löcher enthielten, die stark genug waren, um als sternenbildender "Ein/Aus"-Schalter zu dienen.
"Die übliche Annahme in der Vergangenheit war, dass die Jets stark genug sein müssen, um das Gas vollständig aus der Galaxie auszustoßen, um die Startformation effektiv zu stoppen", sagte Lacy.
Um diese Entdeckung zu machen, lokalisierten die Astronomen zunächst den Ort des von der Galaxie emittierten Ferninfrarotlichts. Normalerweise wird dieses Licht mit der Sternentstehung in Verbindung gebracht und ermöglicht es Astronomen, Regionen zu erkennen, in denen neue Sterne entstehen. Im Fall von NGC 1266 kam dieses Licht jedoch aus einer extrem begrenzten Region im Zentrum der Galaxie. "Dieser sehr kleine Bereich war fast zu klein für das Infrarotlicht, um von der Sternentstehung zu kommen", bemerkte Alatalo.
Mit der hervorragenden Empfindlichkeit und Auflösung von ALMA und zusammen mit Beobachtungen von CARMA (dem Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy) konnten die Astronomen dann die Position des sehr dichten molekularen Gases im galaktischen Zentrum verfolgen. Sie fanden heraus, dass das Gas diese kompakte Quelle des fernen Infrarotlichts umgibt.
Unter normalen Bedingungen würde ein so dichtes Gas mit sehr hoher Geschwindigkeit Sterne bilden. Der in diesem Gas eingebettete Staub würde dann von jungen Sternen erhitzt und als helle und ausgedehnte Infrarotlichtquelle wahrgenommen. Die geringe Größe und Schwäche der Infrarotquelle in dieser Galaxie deutet darauf hin, dass NGC 1266 stattdessen an seinem eigenen Treibstoff erstickt, anscheinend im Widerspruch zu den Regeln der Sternentstehung.
Die Astronomen spekulieren auch, dass in dieser Region ein Rückkopplungsmechanismus am Werk ist. Schließlich wird sich das Schwarze Loch beruhigen und die Turbulenzen werden nachlassen, sodass die Sternentstehung von neuem beginnen kann. Mit dieser erneuten Sternentstehung kommt jedoch eine größere Bewegung im dichten Gas, das dann auf das Schwarze Loch trifft und die Jets wieder aufbaut, wodurch die Sternentstehung wieder zum Erliegen kommt.
NGC 1266 befindet sich etwa 100 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Eridanus. Leticular Galaxien sind Spiralgalaxien, wie unsere eigene Milchstraße, aber sie haben wenig interstellares Gas zur Verfügung, um neue Sterne zu bilden.
„Perfect Storm“ stoppt die Produktion von Sternen um das entfernte Schwarze Loch
Hochenergetische Jets, die von supermassiven Schwarzen Löchern angetrieben werden, können den Sternentstehungstreibstoff einer Galaxie wegsprengen, was zu sogenannten „roten und toten“ Galaxien führt: solche, die voller alter roter Sterne sind, aber wenig oder kein Wasserstoffgas enthalten, um neue zu erschaffen.
Jetzt verwenden Astronomen das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) haben herausgefunden, dass Schwarze Löcher nicht annähernd so stark sein müssen, um die Sternentstehung zu stoppen. Durch die Beobachtung von Staub und Gas im Zentrum von NGC 1266, einer nahegelegenen linsenförmigen Galaxie mit einem relativ bescheidenen zentralen Schwarzen Loch, haben die Astronomen einen „perfekten Sturm“ aus Turbulenzen entdeckt, der die Sternentstehung in einer ansonsten idealen Region unterdrückt Sternenfabrik.
Diese Turbulenzen werden durch Jets aus dem zentralen Schwarzen Loch der Galaxie aufgewirbelt, die in eine unglaublich dichte Gashülle prallen. Diese dichte Region, die das Ergebnis einer kürzlichen Verschmelzung mit einer anderen kleineren Galaxie sein könnte, hindert fast 98 Prozent des von den Jets angetriebenen Materials daran, das galaktische Zentrum zu verlassen.
„Wie eine unaufhaltsame Kraft, die auf ein unbewegliches Objekt trifft, treffen die Partikel in diesen Jets auf so viel Widerstand, wenn sie auf das umgebende dichte Gas treffen, dass sie fast vollständig gestoppt werden“, sagte Katherine Alatalo, Astronomin am Infrared Processing and Analysis Center am California Institute of Technology in Pasadena und Hauptautor eines im Astrophysical Journal veröffentlichten Artikels. Diese energetische Kollision erzeugt starke Turbulenzen im umgebenden Gas, die das erste kritische Stadium der Sternentstehung stören. „Was wir also sehen, ist die intensivste Unterdrückung der Sternentstehung, die jemals beobachtet wurde“, bemerkte Alatalo.
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Frühere Beobachtungen von NGC 1266 zeigten einen breiten Gasausfluss aus dem galaktischen Zentrum mit einer Geschwindigkeit von bis zu 400 Kilometern pro Sekunde. Alatalo und ihre Kollegen schätzen, dass dieser Ausfluss so stark ist wie die gleichzeitige Supernova-Explosion von 10.000 Sternen. Die Düsen sind zwar stark genug, um das Gas zu rühren, aber nicht stark genug, um ihm die Geschwindigkeit zu verleihen, die es zum Entweichen aus dem System benötigt.
„Eine andere Sichtweise ist, dass die Jets Turbulenzen in das Gas injizieren und es daran hindern, sich niederzulassen, zu kollabieren und Sterne zu bilden“, sagte der Astronom und Co-Autor des National Radio Astronomy Observatory, Mark Lacy.
Die von ALMA beobachtete Region enthält etwa das 400-Millionen-fache der Masse unserer Sonne an Sternentstehungsgas, das ist 100-mal mehr als in riesigen sternbildenden Molekülwolken in unserer eigenen Milchstraße. Normalerweise sollte ein so konzentriertes Gas Sterne mindestens 50-mal schneller produzieren, als die Astronomen in dieser Galaxie beobachten.
Bisher glaubten Astronomen, dass nur extrem leistungsstarke Quasare und Radiogalaxien Schwarze Löcher enthielten, die stark genug waren, um als sternenbildender „Ein/Aus“-Schalter zu dienen.
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„Die übliche Annahme in der Vergangenheit war, dass die Jets stark genug sein mussten, um das Gas vollständig aus der Galaxie auszustoßen, um die Startformation effektiv zu stoppen“, sagte Lacy.
Um diese Entdeckung zu machen, lokalisierten die Astronomen zunächst den Ort des von der Galaxie emittierten Ferninfrarotlichts. Normalerweise wird dieses Licht mit der Sternentstehung in Verbindung gebracht und ermöglicht es Astronomen, Regionen zu erkennen, in denen neue Sterne entstehen. Im Fall von NGC 1266 kam dieses Licht jedoch aus einer extrem begrenzten Region im Zentrum der Galaxie. „Dieser sehr kleine Bereich war fast zu klein für das Infrarotlicht, um von der Sternentstehung zu kommen“, bemerkte Alatalo.
Mit der hervorragenden Empfindlichkeit und Auflösung von ALMA und zusammen mit Beobachtungen von CARMA (dem Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy) konnten die Astronomen dann die Position des sehr dichten molekularen Gases im galaktischen Zentrum verfolgen. Sie fanden heraus, dass das Gas diese kompakte Ferninfrarotlichtquelle umgibt.
Unter normalen Bedingungen würde ein so dichtes Gas mit sehr hoher Geschwindigkeit Sterne bilden. Der in diesem Gas eingebettete Staub würde dann von jungen Sternen erhitzt und als helle und ausgedehnte Infrarotlichtquelle wahrgenommen. Die geringe Größe und Schwäche der Infrarotquelle in dieser Galaxie deutet darauf hin, dass NGC 1266 stattdessen an seinem eigenen Treibstoff erstickt, anscheinend im Widerspruch zu den Regeln der Sternentstehung.
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Die Astronomen spekulieren auch, dass in dieser Region ein Rückkopplungsmechanismus am Werk ist. Schließlich wird sich das Schwarze Loch beruhigen und die Turbulenzen werden nachlassen, sodass die Sternentstehung von neuem beginnen kann. Mit dieser erneuten Sternentstehung kommt jedoch eine größere Bewegung im dichten Gas, das dann auf das Schwarze Loch trifft und die Jets wieder aufbaut, wodurch die Sternentstehung wieder zum Erliegen kommt.
NGC 1266 befindet sich etwa 100 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Eridanus. Linsenförmige Galaxien sind Spiralgalaxien, wie unsere eigene Milchstraße, aber sie haben wenig interstellares Gas zur Verfügung, um neue Sterne zu bilden.
Hinweis: Dies ist eine Pressemitteilung des National Radio Astronomy Observatory (NRAO).
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Der am weitesten entfernte Quasar, der entdeckt wurde, gibt Aufschluss darüber, wie Schwarze Löcher wachsen
Ein internationales Astronomenteam hat den am weitesten entfernten Quasar des Universums entdeckt, der rund 670 Millionen Jahre nach dem Urknall vollständig ausgebildet ist. In seinem Zentrum liegt ein supermassives Schwarzes Loch, das 1,6 Milliarden massereicher ist als die Sonne, umgeben von einer wirbelnden, überhitzten Akkretionsscheibe. Das Objekt ist das erste seiner Art, das einen ausströmenden Wind aus überhitztem Gas zeigt, der mit einem Fünftel der Lichtgeschwindigkeit aus der Umgebung des Schwarzen Lochs entweicht. NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva Ein Team von Astronomen unter der Leitung der University of Arizona hat einen leuchtenden Quasar in 13,03 Milliarden Lichtjahren Entfernung von der Erde beobachtet – den am weitesten entfernten bisher entdeckten Quasar. Der Quasar stammt aus dem Jahr 670 Millionen Jahre nach dem Urknall, als das Universum nur 5 % seines heutigen Alters hatte, und beherbergt ein supermassives Schwarzes Loch, das der Gesamtmasse von 1,6 Milliarden Sonnen entspricht.
Das Objekt ist nicht nur der am weitesten entfernte – und damit auch der früheste – bekannte Quasar, sondern zeigt auch als erster seiner Art Hinweise auf einen ausströmenden Wind überhitzten Gases, der bei einem Fünftel des aus der Umgebung des Schwarzen Lochs entweicht Lichtgeschwindigkeit. Die neuen Beobachtungen zeigen nicht nur einen starken quasargetriebenen Wind, sondern zeigen auch eine intensive Sternentstehungsaktivität in der Wirtsgalaxie, in der sich der Quasar, der offiziell als J0313-1806 bezeichnet wurde, befindet.
Die Forscher präsentierten ihre Ergebnisse, die zur Veröffentlichung in Astrophysical Journal Letters eingereicht wurden, während einer Pressekonferenz und einem wissenschaftlichen Vortrag auf der 237. Tagung der American Astronomical Society, die praktisch vom 11. bis 15. Januar stattfand.
Der bisherige Rekordhalter unter den Quasaren im Säuglingsuniversum wurde vor drei Jahren entdeckt. Auch das UArizona-Team trug zu dieser Entdeckung bei. Quasare entstehen vermutlich aus supermassereichen Schwarzen Löchern, die umgebende Materie wie Gas oder sogar ganze Sterne verschlingen, was zu einem Strudel aus überhitzter Materie führt, der als Akkretionsscheibe bekannt ist und um das Schwarze Loch wirbelt. Aufgrund der enormen Energien, die involviert sind, gehören Quasare zu den hellsten Quellen im Kosmos und überstrahlen oft ihre Wirtsgalaxien.
Obwohl J0313-1806 nur 20 Millionen Lichtjahre weiter entfernt ist als der bisherige Rekordhalter, enthält der neue Quasar ein doppelt so schweres supermassives Schwarzes Loch. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt für die Kosmologie dar, da es die bisher stärkste Einschränkung der Bildung von Schwarzen Löchern im frühen Universum darstellt.
"Dies ist der früheste Beweis dafür, wie ein supermassereiches Schwarzes Loch seine umgebende Wirtsgalaxie beeinflusst", sagte der Hauptautor des Papiers Feige Wang, ein Hubble Fellow am Steward Observatory von UArizona. "Aus Beobachtungen von weniger weit entfernten Galaxien wissen wir, dass dies passieren muss, aber wir haben es noch nie so früh im Universum erlebt."
Quasare, die zu einer Zeit, als das Universum noch sehr jung war, bereits Millionen, wenn nicht sogar Milliarden Sonnenmassen in ihren Schwarzen Löchern angehäuft hatten, stellen Wissenschaftler vor eine Herausforderung, die versuchen zu erklären, wie sie entstanden sind, als sie kaum die Zeit dazu hatten. Eine allgemein akzeptierte Erklärung für die Entstehung eines Schwarzen Lochs besteht darin, dass ein Stern am Ende seines Lebens als Supernova explodiert und zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Wenn solche Schwarzen Löcher mit der Zeit verschmelzen, können sie – theoretisch – zu supermassereichen Schwarzen Löchern anwachsen. Aber so wie es viele Leben erfordern würde, einen Pensionsfonds aufzubauen, indem man jedes Jahr einen Dollar einzahlt, sind Quasare im frühen Universum ein bisschen wie Kleinkind-Millionäre, die ihre Masse auf andere Weise erworben haben müssen.
Der neu entdeckte Quasar bietet einen neuen Maßstab, indem er zwei aktuelle Modelle ausschließt, wie sich supermassereiche Schwarze Löcher in so kurzen Zeiträumen bilden. Im ersten Modell bilden massereiche Sterne, die größtenteils aus Wasserstoff bestehen und denen die meisten anderen Elemente fehlen, aus denen spätere Sterne bestehen, einschließlich Metallen, die erste Generation von Sternen in einer jungen Galaxie und liefern die Nahrung für das entstehende Schwarze Loch. Beim zweiten Modell handelt es sich um dichte Sternhaufen, die von vornherein zu einem massereichen Schwarzen Loch kollabieren.
Quasar J0313-1806 weist jedoch ein Schwarzes Loch auf, das zu massiv ist, um durch die oben genannten Szenarien erklärt zu werden, so das Team, das es entdeckt hat. Das Team berechnete, dass, wenn sich das Schwarze Loch in seinem Zentrum bereits 100 Millionen Jahre nach dem Urknall bildete und so schnell wie möglich wachsen würde, es zunächst immer noch mindestens 10.000 Sonnenmassen hätte haben müssen.
„Dies sagt Ihnen, dass sich der Samen dieses Schwarzen Lochs, egal was Sie tun, durch einen anderen Mechanismus gebildet haben muss“, sagte Co-Autor Xiaohui-Fan, Regents Professor und stellvertretender Leiter der Abteilung für Astronomie der UArizona. "In diesem Fall einer, bei dem riesige Mengen von ursprünglichem, kaltem Wasserstoffgas direkt in ein schwarzes Saatloch kollabieren."
Da dieser Mechanismus keine vollwertigen Sterne als Rohmaterial benötigt, ist er der einzige, der es dem supermassiven Schwarzen Loch des Quasars J0313-1806 zu einem so frühen Zeitpunkt im Universum ermöglichen würde, auf 1,6 Milliarden Sonnenmassen anzuwachsen. Das macht den neuen Rekordquasar so wertvoll, erklärte Fan.
"Sobald man zu niedrigeren Rotverschiebungen gelangt, könnten alle Modelle die Existenz dieser weniger entfernten und weniger massiven Quasare erklären", sagte Fan. Rotverschiebung bezieht sich auf das Phänomen, bei dem Licht von weit entfernten Objekten aufgrund der anhaltenden Expansion des Universums röter erscheint als Licht von näheren Quellen.
„Damit das Schwarze Loch zu der Größe herangewachsen ist, die wir bei J0313-1806 sehen, müsste es mit einem schwarzen Saatloch von mindestens 10.000 Sonnenmassen begonnen haben, und das wäre nur im direkten Kollaps-Szenario möglich “, sagte Fan.
Der neu entdeckte Quasar scheint einen seltenen Einblick in das Leben einer Galaxie zu Beginn des Universums zu geben, als viele der Galaxienformungsprozesse, die sich in Galaxien, die schon viel länger existieren, seitdem verlangsamt oder aufgehört haben, noch in vollem Gange waren .
According to current models of galaxy evolution, supermassive black holes growing at their centers could be the main reason why galaxies ultimately stop making new stars. Acting like a blowtorch of cosmic proportions, quasars blast their surroundings fiercely, effectively sweeping their host galaxy clean of much of the cold gas that serves as the raw material from which stars form.
"We think those supermassive black holes were the reason why many of the big galaxies stopped forming stars at some point," Fan said. "We observe this 'quenching' at lower redshifts, but until now, we didn't know how early this process began in the history of the universe. This quasar is the earliest evidence that quenching may have been happening at very early times."
By measuring the quasar's luminosity, Wang's team calculated that the supermassive black hole at its center is ingesting the mass equivalent of 25 suns each year, on average, which is thought to be the main reason for its high-velocity hot plasma wind blowing into the galaxy around it at relativistic speed. For comparison, the black hole at the center of the Milky Way has become mostly dormant.
And while the Milky Way forms stars at the leisurely pace of about one solar mass each year, J0313-1806 churns out 200 solar masses in the same time period.
"This is a relatively high star formation rate, similar to that observed in other quasars of similar age, and it tells us the host galaxy is growing very fast," Wang said.
"These quasars presumably are still in the process of building their supermassive black holes" Fan added. "Over time, the quasar's outflow heats and pushes all the gas out of the galaxy, and then the black hole has nothing left to eat anymore and will stop growing. This is evidence about how these earliest massive galaxies and their quasars grow."
The researchers expect to find a few more quasars from the same time period, including potential new record breakers, said Jinyi Yang, the second author of the report, who is a Peter A. Strittmatter Fellow at the Steward Observatory. Yang and Fan were observing at the 6.5-meter Magellan Baade telescope at the Las Campanas Observatory in Chile the night J0313-1806 was discovered.
"Our quasar survey covers a very wide field, allowing us to scan almost half of the sky," Yang said. "We have selected more candidates on which we will follow up with more detailed observations."
The researchers hope to uncover more about the quasar's secrets with future observations, especially with NASA's James Webb Space Telescope, currently slated for launch in 2021.
"With ground-based telescopes, we can only see a point source," Wang said. "Future observations could make it possible to resolve the quasar in more detail, show the structure of its outflow and how far the wind extends into its galaxy, and that would give us a much better idea of its evolutionary stage."
In addition to the 6.5-meter Magellan Baade telescope, the following instruments were involved in this study: The Gemini North Telescope and the W. M. Keck Observatory – both on Maunakea, Hawaii – and the Gemini South Telescope, Víctor M. Blanco 4-meter Telescope at Cerro Tololo Inter-American Observatory, and ALMA, the Atacama Large Millimeter Array, all located in Chile's Atacama Desert. Data from the Blanco Telescope, taken as part of the DESI Legacy Imaging Surveys, helped to first identify J0313-1806, while Gemini South observations were used to confirm its identity as a quasar.
The research team also includes astronomer Richard Green and doctoral student Minghao Yue, both at Steward Observatory. The research was funded by NASA, the National Science Foundation, the European Research Council and the National Science Foundation of China.
The Magellan Telescopes are managed by a collaboration of universities from the United States including the University of Arizona. The Gemini Observatory and Cerro Tololo Inter-American Observatory are operated by NSF's National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory, or NOIRLab.
The astronomical community is honored to have the opportunity to conduct astronomical research on Iolkam Du’ag (Kitt Peak) in Arizona, on Maunakea in Hawaii, and on Cerro Tololo and Cerro Pachón in Chile. We recognize and acknowledge the very significant cultural role and reverence that these sites have to the Tohono O'odham Nation, to the Native Hawaiian community and to the local communities in Chile, respectively.
How black hole jets break out of their galaxies
New simulations of the magnetically powered jets produced by rotating supermassive black holes in the cores of galaxies show how, with enough power, the corkscrewing magnetic fields (white squiggles) can force their way through surrounding gas and drill out of the galaxy, channeling hot gas into the interstellar medium. Image credit: Simulations by Alexander Tchekhovskoy, UC Berkeley, and Omer Bromberg, Hebrew University. A simulation of the powerful jets generated by supermassive black holes at the centres of the largest galaxies explains why some burst forth as bright beacons visible across the universe, while others fall apart and never pierce the halo of the galaxy.
About 10 percent of all galaxies with active nuclei &mdash all presumed to have supermassive black holes within the central bulge &mdash are observed to have jets of gas spurting in opposite directions from the core. The hot ionised gas is propelled by the twisting magnetic fields of the rotating black hole, which can be as large as several billion suns.
A 40-year-old puzzle was why some jets are hefty and punch out of the galaxy into intergalactic space, while others are narrow and often fizzle out before reaching the edge of the galaxy. The answer could shed light on how galaxies and their central black holes evolve, since aborted jets are thought to roil the galaxy and slow star formation, while also slowing the infall of gas that has been feeding the voracious black hole. The model could also help astronomers understand other types of jets, such as those produced by individual stars and we see as gamma-ray bursts or pulsars.
“Whereas it was rather easy to reproduce the stable jets in simulations, it turned out to be an extreme challenge to explain what causes the jets to fall apart,” said University of California, Berkeley theoretical astrophysicist Alexander Tchekhovskoy, a NASA Einstein postdoctoral fellow who led the project. “To explain why some jets are unstable, researchers had to resort to explanations such as red giant stars in the jets’ path loading the jets with too much gas and making them heavy and unstable so that the jets fall apart.”
By taking into account the magnetic fields that generate these jets, Tchekhovskoy and colleague Omer Bromberg, a former Lyman Spitzer Jr. postdoctoral fellow at Princeton University, discovered that magnetic instabilities in the jet determine their fate. If the jet is not powerful enough to penetrate the surrounding gas, the jet becomes narrow and collimated, a shape prone to kinking and breaking. When this happens, the hot ionised gas funnelled through the magnetic field spews into the galaxy, inflating a hot bubble of gas that generally heats up the galaxy.
Powerful jets, however, are broader and able to punch through the surrounding gas into the intergalactic medium. The determining factors are the power of the jet and how quickly the gas density drops off with distance, typically dependent on the mass and radius of the galaxy core.
The simulation, which agrees well with observations, explains what has become known as the Fanaroff-Riley morphological dichotomy of jets, first pointed out by Bernie Fanaroff of South Africa and Julia Riley of the U.K. in 1974.
“We have shown that a jet can fall apart without any external perturbation, just because of the physics of the jet,” Tchekhovskoy said. He and Bromberg, who currently is at the Hebrew University of Jerusalem in Israel, will published their simulations on 17 June in the journal Monthly Notices of The Royal Astronomical Society, a publication of Oxford University Press.
New simulations of the jets produced by rotating supermassive black holes in the cores of galaxies show how, with enough power, the corkscrewing fields (white squiggles) can force their way through surrounding gas and drill out of the galaxy, channeling hot gas into the interstellar medium (top). Less powerful jets get stalled inside the galaxy, however, their magnetic fields breaking and dumping hot gas inside and heating up the galaxy. These stalled jets may be part of the black hole feedback mechanism that periodically halts the inflow of gas that feeds the black hole. Simulations by Alexander Tchekhovskoy, a NASA Einstein postdoctoral fellow at UC Berkeley, and Omer Bromberg, a former Lyman Spitzer Jr. postdoctoral fellow at Princeton University who is now at Hebrew University in Jerusalem.
Bendable drills
The supermassive black hole in the bulging centre of these massive galaxies is like a pitted olive spinning around an axle through the hole, Tchekhovskoy said. If you thread a strand of spaghetti through the hole, representing a magnetic field, then the spinning olive will coil the spaghetti like a spring. The spinning, coiled magnetic fields act like a flexible drill trying to penetrate the surrounding gas.
The simulation, based solely on magnetic field interactions with ionised gas particles, shows that if the jet is not powerful enough to punch a hole through the surrounding gas, the magnetic drill bends and, due to the magnetic kink instability, breaks. An example of this type of jet can be seen in the galaxy M87, one of the closest such jets to Earth at a distance of about 50 million light years, and has a central black hole equal to about 6 billion suns.
“If I were to jump on top of a jet and fly with it, I would see the jet start to wiggle around because of a kink instability in the magnetic field,” he said. “If this wiggling grows faster than it takes the gas to reach the tip, then the jet will fall apart. If the instability grows slower than it takes for gas to go from the base to the tip of the jet, then the jet will stay stable.”
The jet in the galaxy Cygnus A, located about 600 million light years from Earth, is an example of powerful jets punching through into intergalactic space.
Tchekhovskoy argues that the unstable jets contribute to what is called black hole feedback, that is, a reaction from the material around the black hole that tends to slow its intake of gas and thus its growth. Unstable jets deposit a lot of energy within the galaxy that heats up the gas and prevents it from falling into the black hole. Jets and other processes effectively keep the sizes of supermassive black holes below about 10 billion solar masses, though UC Berkeley astronomers recently found black holes with masses near 21 billion solar masses.
Presumably these jets start and stop, lasting perhaps 10-100 million years, as suggested by images of some galaxies showing more than one jet, one of them old and tattered. Evidently, black holes go through binging cycles, interrupted in part by the occasional unstable jet that essentially takes away its food.
The simulations were run on the Savio computer at UC Berkeley, Darter at the National Institute for Computational Sciences at the University of Tennessee, Knoxville, and Stampede, Maverick and Ranch computers at the Texas Advanced Computing Center at the University of Texas at Austin. The entire simulation took about 500 hours on 2,000 computer cores, the equivalent of 1 million hours on a standard laptop.
An ancient galaxy grew massive — then oddly stopped making stars
A gargantuan galaxy in the early universe that grew quickly and then just stopped forming stars might, in its star-making phase, have once resembled the massive dusty galaxy illustrated here. Such a reservoir of dust and gas may have helped fuel rapid star formation.
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February 11, 2020 at 8:00 am
Even galaxies burn out if they work too hard.
A galactic monster in the early universe quit forming stars after ferociously churning them out for hundreds of millions of years, researchers report. Why it slacked off is unclear, but the answer might teach astronomers a thing or two about how the earliest galaxies grew and evolved into the stellar metropolises that surround us today.
The light from this galaxy, designated XMM-2599, took nearly 12 billion years to reach Earth. So astronomers see the galaxy as it was just 1.8 billion years after the Big Bang. By that time, the galaxy had bulked up to a mass of about 300 billion suns, new observations show, making it three times as massive as similar known galaxies from that epoch.
The galaxy appears to have gotten so hefty by cranking out stars at a rate of over 1,000 solar masses per year for several hundred million years. But then, the star making suddenly stopped, astronomer Benjamin Forrest at the University of California, Riverside and colleagues report in the Feb. 10 Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe. By comparison, the Milky Way produces a paltry two to three stars per year.
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“This paper is telling us that star formation can be very, very efficient in the early universe and equally efficiently be quenched,” says Mauro Giavalisco, an astronomer at the University of Massachusetts Amherst who was not involved with this study.
Galaxies make stars for as long as they have a supply of cold gas — the Milky Way has been at it for nearly the entire 13.8-billion-year history of the universe. The only ways to shut down the star-forming factories are to prevent cold gas from raining down on the galaxy or to physically remove the gas that’s already there, says Giavalisco. “Theory doesn’t quite fully explain how to stop so quickly and efficiently star formation in a galaxy which, only a little bit earlier, was forming stars with prodigious efficiency.”
Other prolific star-forming galaxies were known to exist in the early universe (SN: 8/7/19), including a few that also had retired. But none is as massive as XMM-2599, Forrest says. Computer simulations of this early epoch don’t produce similarly gargantuan deadbeats, so XMM-2599 is an enigma.
A supermassive black hole in the center of the galaxy may be to blame. Such a black hole would likely have attracted a superheated whirlpool of cosmic detritus, which blazed with light that energized gas around the galaxy (SN: 12/5/18), preventing it from coalescing into clumps needed to birth new stars.
Alternatively, the stars themselves may have been their own undoing. Lots of star formation eventually leads to lots of supernovas, Giavalisco says, which could have ejected gas on a galactic scale.
“We don’t have any confirmation for a reason, mostly because it happened in the past, and there’s only so many clues we can pick up,” Forrest says. By scanning the skies for similarly quiet monsters, researchers could “confirm whether this thing is just a one-off weird galaxy … or if it’s part of a larger population,” he says.
As for what becomes of such a galaxy, that’s hard to say. But Forrest and Giavalisco speculate that, over time, its gravity may attract other galaxies, possibly making XMM-2599 and its ilk the seeds around which galactic clusters grow.
Questions or comments on this article? E-mail us at [email protected]
A version of this article appears in the March 14, 2020 issue of Science News.
What causes galaxies to stop forming stars?
The physical processes responsible for the sudden termination of star formation in massive galaxies have not been clarified yet. Our study reveals that collisions between galaxies can eject large quantities of cold gas from galaxies through tidal tails and rapidly quench star formation.
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It was January 2018, I just moved to Paris to start my first post-doc in Emanuele Daddi’s group at CEA-Saclay. I was inspecting the spectra of 100 star-forming galaxies obtained with the Atacama Large Millimetre Array (ALMA) interferometer. By analysing such a large sample of galaxies, I wanted to study the properties of the molecular gas in distant galaxies. This is traced by the emission of the carbon monoxide (CO).
The spectrum of galaxy ID2299 caught my attention since it displayed an excess of emission near the very prominent emission from the galaxy (Figure 1). I thought: “Uh! This is interesting”. I showed the spectrum to Emanuele. “Yes, let’s keep a note about this object”. And we moved on. Many other things were piling up, as usual, and I stopped thinking about that galaxy for a while.
One year went by and I finally started to analyse the spectrum of this galaxy. To my surprise, the flux of the broad component (red line in Figure 1) was about half of the flux measured in the narrow line associated to the galaxy (blue line in Figure 1). The gas in the broad component was moving fast, reaching up to 600 km/s in the reference frame of the galaxy. This suggested that the gas was being ejected from the galaxy. We realised that ID2299 was a special object from which we could have learned important information on how galaxies evolve. In our study, published in Nature Astronomy, we show that this ejection will cause the galaxy to stop forming stars in a few million years, that is
100x time faster than the typical duration of star formation episodes in galaxies.
Figure 1 Carbon monoxide (CO(2-1)) spectrum of ID2299 from ALMA. The CO(2-1) emission traces the molecular gas in galaxies, which is the fuel for forming new stars. The narrow component represents the emission associated to the galaxy. The broad emission is associated to the ejected gas.
Understanding the cause of this massive ejection was a crucial part of the puzzle. Broad components are fairly common in the spectra of distant galaxies and are typically associated to galactic winds. These winds can be produced either by the accretion of gas onto a supermassive black holes or intense star formation episodes. ID2299 is hosting an active black hole and is forming stars at a very high rate. However, the numbers didn’t just add up. Nor the active black hole nor the burst of star formation were powerful enough to produce the ejection. Furthermore, if this would have been a galactic wind, the physical properties of the expelled gas should have been more extreme than what we observed.
Numerical simulations of galaxy mergers were crucial to solve the puzzle. By comparing the observations with simulations, we concluded that the ejection was a tidal tail produced by the merger with another galaxy. Tidal tails are elongated streams of stars and gas extending into the interstellar space as a result of tidal forces developing through the interaction (Figure 2). It is difficult to identify tidal tails in the distant Universe because of their low luminosity. We were lucky to observe this ejection during the initial phase of the launching.
Figure 2 Gas distribution in an interacting galaxy after approximately half-a-billion years since the beginning of the merger from numerical simulations. The lighter the colour in the image, the denser the gas. At this stage the former galaxies have merged in a single system. Most of the gas is concentrated in the centre forming stars at a very efficient rate. Part of the gas is ejected from the galaxy in a tidal tail. This is similar to what observed in ID2299.
Credits: J. Fensch et al. 2017, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 465, Issue 2, p.1934-1949
The discovery of the ejection in ID2299 gives us important indications on how galaxies die. Future observations with ALMA at higher resolution will allow us to better understand the dynamics of the ejected gas.
The morality and methods of feeding a black hole
This is less a physical question than a moral one. Should we feed a black hole? If we do, will it ever learn to feed and fend for itself independently? Will it ever truly be able to return to the wild, or will it ever after be chained to the yoke of domestic comfort?
My uncle found a black hole once in the woods, and he used to feed it tinned peaches. Two summers later he released it into the wild, and after only two days it was found in the canned goods aisle of a local supermarket.
If we ever want black holes to stand on their own four legs, we need to st-
Oh. Warten. My editor’s just told me I’m getting black holes and wolf pups confused again. My apologies, obviously there’s no moral question of whether or not we feed a black hole, because whatever we try we haven’t a hope of doing anything to stop it gobbling up matter.
In retrospect, very different… (Image credits: Mike Boylan and Ute Kraus)
That said, it’s easy to overestimate how much power the black hole itself has to sate its appetites. It’s all too easy to imagine it as a cosmic vacuum, the plughole in the swirling vortex of the bath-tub of existence, ravenously and inexorably stripping the surrounding galaxy bare with unimaginable force.
But that’s not really true: the only force it has at its disposal is the same as the one that stopped you getting water sprayed in your face when you brushed your teeth this morning (and if you haven’t yet, you really should, look at the time!), by which of course I mean gravity.
Exactly the same forces cause the earth to careen about round the sun (and the sun to wobble back and forth in sympathy) as help black holes gobble and grow their way to the gargantuan proportions that we see at the center of galaxies, including ours. A black hole the same mass as our sun would behave almost exactly like the sun, and if someone swapped them tomorrow (I’m looking at you, North Korea) we’d barely even notice, our orbit would be exactly the same and we’d only slightly freeze to death in minutes.
Black holes are formed when the remnant of a massive star, under gravitational forces so strong that no other known force can stop them, collapses down to tiny proportions. What remains is an object so heavy and compact that, in some small region around them, even light cannot escape it’s gravitational tug (hence the “black” bit the whole “hole” thing is just to sound dramatic).
But an object the mass of a star can only collapse to be an object, at most, the mass of a star, even if that star is hundreds of times the mass of the sun. So how come the universe is dotted with black holes many billion times the mass of the sun, and even more perplexingly, why is it that once they get this heavy, they seem to stop growing? Looking far away into the distant universe, we see black holes this heavy lurking in the center of massive galaxies, and in the nearby universe, we see, well, almost exactly the same thing. What causes something that grows so massive so quickly in the early universe to just, well, stop growing? What the hell, nature? Was. The. Hell?
Well, the first bit is easy, just as you were once a twinkle in your mother’s eye, and slightly later, two gametes in your parent’s genitalia, you grew into the upstanding citizen you are today by eating. Black holes eat too occasionally they cannibalize each other when massive galaxies merge, but mostly they just get by on a healthy diet of good wholesome gas.
They eat stars too, but not very quickly. You see, just as the earth could keep orbiting a black hole the size of the sun, stars can happily cavort around a super-massive black hole for a long, long time. There’s just not much that can slow them down. Gravity holds the stars in orbit around the black hole, but no matter how many times they go around, they’re barely losing any energy and it can take an age for them to get perceptibly closer. Imagine if your food just kept circling around you tantalizingly for a few billion years…
Gas, on the other hand, is a big mess of individual particles and molecules, and as it orbits around they collide and skitter off each other, losing energy each time, slowing their orbits and sinking closer and closer to the gaping maw of the black hole.
Artists impression of stars orbiting, and gas falling into, Sagittarius A, the super-massive black hole at the centre of our galaxy. Image credit: ESO
So this paper proposes a reason for why black holes seem to slow their growth just when they’re really starting to get huge. In order for these colossi to grow much further, they would have to suck in a gas at a rate equivalent to a thousand suns a year. But when you start getting quite this much gas collapsing down to such a small volume, things start to get a little hot and close. I won’t go into the fetid details (which frankly is surprising given the gametes comment), but pretty quickly stars start being born out of the inflowing material, which instead of being devoured by the black hole can pootle off on their own orbits, taking hugely longer to mosey their way down to the black hole and slowing its growth to a trickle.
Combine this with great outflows of energy belched out of the black hole as the incoming matter swirls around it in a tight, hot disk, blowing surrounding gas away and cutting off the food source, and you have one very sad, fat, old black hole, desperately harking back to the old days when it could gobble its own weight in moments (or at least millions of years).
Rate at which gas is accreted (solid lines) and stars formed (dashed) at a certain radius in an accretion disk, for black holes of pretty high (red), really high (blue) and silly high (black) mass. For each at some inner radius the rate at which mass is gained drops to some small constant value, too slow to grow the black hole much past a few billion stellar masses.
