За пръв път учените измериха коефициентът на ефективност, с която черните дупки преобразуват поглъщаният от тях газ в лъчи от частици. Ново изследване подкрепя теорията, според която тези струи от бързи, високо енергийни частици, са част от механизмът, недопускащ формирането на нови звезди в галактиките с черни дупки, като резултатът в крайна сметка е изкуствено спиране на разрастването на галактиката.

Съвременната теория предполага, че в центъра на големите галактики – такива, като Млечният път – се намират големи черни дупки с маса, надвишаваща милиарди пъти масата на Слънцето. Огромното гравитационно привличане на черните дупки засмуква газовете около тях. Част от образувалата в този процес енергия се изхвърля обратно в космоса. Енергията приема много форми. Една част се проявява като радиация, която се дължи на свръх нагряването на материята в диска около черната дупка. Квазарите, например, представляват относително кратък “активен” етап от живота на една черна дупка. Тези ярки колабирали звезди поглъщат лакомо материята от заобикалящото ги пространство, а яркостта им е такава, че на практика може да се наблюдават от всяка точка на Вселената.

Измервайки кухините в газовете около деветте черни дупки, астрономите изчисляват произвежданата от струите енергия. (Снимка: NASA/CXC/M Weiss)

Енергията обаче може да се преобразува отново в материя. Това се наблюдава и в случая с черните дупки, където струи от ускорени почти до светлинна скорост частици излитат от центъра на диска. Предполага се, че тези струи се “захранват” и управляват от магнитни полета и въртенето на диска, на черната дупка или от въртенето едновременно и на двете – диска и черната дупка.

Така или иначе остава неизяснена ролята на изхвърляните от черните дупки струи за поддържане на енергийния баланс. “Въпросът е: Струите ли са “големият играч” в системата? Те ли получават лъвския пай от изхвърляната енергия?”, пояснява за New Scientist Джон Халей – астрофизик от Университета в Шарлотсвил, САЩ. Той добавя още два компонента към въпроса “Колко точно материя трябва да пуснеш в една черна дупка, за да получиш струя и след като тези струи станат факт, колко мощни ще са те?”

Екип от астрофизици под ръководството на Стив Алън от Университета в Калифорния се опитва да даде отговори на тези въпроси. На изследване са подложени девет от най-големите галактики, намиращи се на разстояние до 400 милиона светлинни години от нас. Екипът ползва възможностите на Chandra X-ray Observatory. Всички включени в наблюдението галактики са имали някога квазари. С изразходване на газовете обаче тези квазари са намалили яркостта си и са значително “по-незабележими” от “стандартните” квазари.

Струите са “резбовали” кухини в газовете вътре в NGC 4696 – елиптична галактика, намираща се в галактически клъстер в съзвездието Кентавър (снимка: NASA/CXC/Stanford U/S Allen et al/NRAO/VLA/G Taylor/ESA/McMaster U/W Harris)

Учените измерили яркостта и температурата в централните региони на галактиките, за да определят степента на поглъщане на газ от централната черна дупка на всяка от галактиките. След това измерили големината на празнините, образуващи се при обратното изхвърляне на струите и сблъсъка на ускорените частици с материята от диска около черната дупка. “За пръв път измерихме и двете компоненти – количествата газ, с които се “захранва” черната дупка и енергията, освободена в струите. Това ни даде представа за “коефициентът на полезно действие” на черната дупка”, казва Стив Алън.

Струите от ускорени до светлинна скорост частици връщат във Вселената около 2,5% от енергията, консумирана от черна дупка. Според учените, това не е далеч от предварително очакваният резултат. За сравнение се посочва, че същият показател при квазарите е на ниво 10%.

Въпреки близостта на резултата до очакваното, учените са учудени. Оказва се, че “мъртвите квазари” са далеч по “ефективни”, отколкото се е очаквало от тях. Тъй като черните дупки са далеч по-големи “тарикати” от квазарите, учените са предполагали, че те “отказват да погълнат” 95% от предлаганата им “храна”. Астрофизиците са очаквали да си имат работа “с едни досадни, престарели черни дупки, които отдавна са спрели да вършат нещо интригуващо”. Резултатите от изследванията им обаче показват, че това не е точно така – те все още са достатъчно “производителни”. Изхождайки от почти еднаквите показатели, получени и от деветте наблюдавани черни дупки, учените предполагат, че изхвърляните струи са останали стабилни в продължение на милиони – възможно е и на много повече – години.

Струите от ускорени до светлинна скорост частици може да се захранват от магнитни полета и от въртенето на материята около черната дупка, въртенето на самата черна дупка или и от двете заедно (снимка: NASA/CXC/M Weiss)

С това обаче не свършват изненадите. Оказва се, че изхвърляните от черните дупки “енергийни” струи имат още една немаловажна роля. Енергията, която те отделят е огромна и многократно надвишава тази на самата черна дупка. Разстоянията, на които се простира ефектът на струите, са хиляди милиарди пъти по-големи от тези, върху които оказва влияние самата черна дупка. Струите нагряват газовете в галактиката и им позволяват да изстинат, а това спира формирането на нови звезди.

Учените може би са на път да открият отговор на въпроса защо най-големите галактики във Вселената не са още по-големи. Може би “върнатата” от черните дупки енергия е причината това да не се случва. Цялото изследване ще бъде публикувано в следващият брой на специализираното издание Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.