Наблюдения за сотнями крупных галактик показали, что процессы звездообразования прекращаются в самых "спокойных" галактиках в результате формирования так называемых "красных гейзеров" – потоков сверхгорячего газа, порождаемых сверхмассивной черной дырой в их центре.

Давно замечено, что множество массивных галактик к настоящему времени прекратили активное звездообразование и потеряли большую часть необходимого для этого строительного материала – газа. Что останавливает рождение звезд в таких галактиках, до сих пор остаётся нерешённой проблемой.

Сравнительно недавно исследователи получили доказательства того, что иногда чёрная дыра в центре может оказывать влияние на жизнь звезд во всей галактике, а не только в ближайших окрестностях. Но как часто это происходит, и является ли это неизбежной стадией эволюции любой нормальной галактики, пока не ясно.

В 2016 году ученые из Университета Токио выяснили, почему некоторые галактики ведут себя не так, как ожидается: в них не образуются звезды.

Оказалось, это происходит из-за того, что сверхмассивные черные дыры в центре галактик выбрасывают конические пучки газа – "красные гейзеры". Они разогревают газ, делая его слишком горячим для конденсации. Этот процесс открыли раньше гейзеров, но механизмы его образования не были ясны.

Ученые описывают процесс вымирания галактик следующим образом: в ядре галактики находится низкоэнергетическая сверхмассивная черная дыра, которая своей энергией разгоняет межзвездный ветер до такой степени, что тот неумолимо нагревает окружающую газовую среду. Горячие окружающие газы не могут остыть и начать конденсироваться в звезды, так и оставаясь в разреженном состоянии и то и дело попадая под атаку реактивных потоков ветра. Сила этих потоков настолько велика, что газ вылетает из центра галактики и покидает область, где еще действует ее гравитация.

Известно, что на этапе своего формирования красные гейзеры были обычными галактиками с активно формирующимися звездами. Однако с течением времени зарождение звезд сходило на нет, превращая перспективную галактику в красный гейзер, которым она обречена остаться до конца своей эволюции. Красными ученые назвали эти галактики потому, что они не испускают излучение молодых голубых звезд (в спектральном классе старые, более холодные звезды отмечаются красным цветом, а молодые и более горячие – голубым). Из скоплений гейзеров формируются космические кладбища, природу которых ученые так долго не могли понять.

Существование "красных гейзеров" помогает разобраться в механизмах эволюции Вселенной. В таких галактиках новые звезды будут появляться только после того, как все остальные галактики погаснут.

Как мы знаем, звезды формируются из сгустков газа. Однако в некоторых случаях наличие такого «стройматериала» вовсе не способствует появлению новых светил. Исследования показали, что в самых «спокойных» галактиках прекращается процесс образования новых звезд, и они, таким образом, превращаются в «галактики-зомби». Обычно это связывают с активизацией сверхмассивных черных дыр, опустошающих галактики. Однако многие моменты, связанные с этим явлением, оставались загадкой для научного мира.

Представляющий Университет Токио Эдмонд Чунг (Edmond Cheung) и его коллеги постарались найти ответы. Они проанализировали галактический атлас SDSS-IV MaNGA, который был подготовлен в рамках Слоановского цифрового небесного обзора.

Данный проект ориентирован на широкомасштабное исследование изображений и спектров звезд и галактик. Наблюдения проводятся посредством 2,5-метрового широкоугольного телескопа в Обсерватории Апачи-Пойнт (США, штат Нью-Мексико). Теперь, как мы уже говорили, в центре внимания оказались «тихие» близлежащие галактики, процесс звездообразования в которых почти прекратился.

Во всех случаях можно было видеть похожую картину: газ вращался вокруг галактического центра не равномерно, а хаотично. Эдмонд Чунг и его коллеги решили рассмотреть этот момент более подробно на примере галактики Акира.

Оказалось, что вышеописанный процесс там происходил из-за влияния структур, получивших название «красные гейзеры». Речь идет о конических пучках газа, которые иногда выбрасывает сверхмассивная черная дыра, находящаяся в центре галактики. Такие потоки оказывают огромное воздействие на звездообразование.

Мощность «красных гейзеров» такова, что они «перемешивают» газ в галактике, разогревают его и делают непригодным в качестве «стройматериала» для новых звезд. Примечательно и то, что эти пучки, как показывает исследование, могут образовываться возле черной дыры даже в том случае, если последняя не поглощает большие массы пыли и газа.

Сверхмассивные черные дыры остаются для научного мира загадкой: доподлинно неизвестна причина их образования. Между тем мы знаем, что такой объект находится в центре нашей Галактики, а также в центрах многих других галактик. Сверхмассивная черная дыра выступает в роли «дирижера» галактических процессов.

Международная группа исследователей, на основании данных Слоановского цифрового небесного обзора (его части, известной как SDSS-IV MaNGA) связали особенности нового класса галактик – красных гейзеров – с наличием у них активного ядра. Последний фактор обусловлен присутствием в центрах таких галактик сверхмассивных черных дыр.

В рамках очередной части работы над Слоановским обзором за последние месяцы астрофизики обнаружили группу необычных «спокойных» галактик без активного звездообразования и с доминирующим «пожилым» звездным населением из древних красных светил. Как оказалось, примерно 5-10 процентов всех «спокойных» систем могут принадлежать именно к красным гейзерам. Такое название они получили из-за истечения из их центров потоков газа, выталкиваемых активностью центральной сверхмассивной черной дыры.

Авторы новой работы попытались выяснить, может ли необычное – старое и красное – звездное население этих галактик быть связано с активностью в их центрах. Для этого они сравнили интенсивность излучения в радиодиапазоне для ядер 78 красных гейзеров и обычных галактик тех же размеров, возраста и массы, но без заметной активности в ядре. В результате им удалось с вероятностью пять сигм подтвердить, что все красные гейзеры испускают заметно больше радиоизлучения, чем обычные галактики из контрольной группы.

Чтобы окончательно убедиться в этом, они исключили из рассмотрения периферийные зоны гейзеров, где источником радиоволн могли быть обычные звезды. Даже после этой процедуры красные гейзеры систематически показывали большую интенсивность излучения в радиодиапазоне.

Исследователи однозначно связывают это явление с активностью в ядрах таких галактик. По их мнению, активные ядра в красных гейзерах не создают масштабных выбросов вещества в виде джетов, струй плазмы, как в квазарах. Однако, несмотря на меньшую энергию процессов, общий механизм в целом сходен: сверхмассивные черные дыры поглощают газ и пыль, при этом вещество попадает в них через быстро вращающийся аккреционный диск, а тот от трения частиц газа и пыли друг о друга разогревается. В итоге диск интенсивно излучает, и его излучение выталкивает газ из центров «красных гейзеров». За счет малого количества остающегося газа образование новых звезд в этих галактиках само собой тормозится.

Более того, продолжают свою мысль ученые, весьма вероятно, что большинство галактик, где доминируют старые красные звезды, некогда прошли в своей истории через фазу красного гейзера. Фаза выноса газа из центра галактик не может продолжаться долго – доступное вещество там быстро кончается.

После этого галактика перестает быть гейзером, но остается населенной древними красными карликами. В таком виде она может пребывать довольно долго, благо маломассивные красные карлики могут существовать по триллиону и более лет.

Ученые планируют обращаться к теории красных гейзеров каждый раз, когда они будут сталкиваться с кладбищами галактик, чтобы лучше понимать, кто именно снабжает эти кладбища «постоянными жильцами».