«Джеймс Уэбб» впервые увидел газовый мост, который кормит чёрную дыру

Астрономы впервые напрямую увидели, как сверхмассивная чёрная дыра получает вещество из холодных газовых нитей. И это при том, что сама же она разогревает окрестности и, по логике, должна была бы давно перекрыть себе приток. Космический телескоп Джеймс Уэбб James Webb показал непрерывную связь между длинным газовым филаментом и околоядерным диском в центре галактики NGC 4696. Как раз такого звена астрофизики не хватало десятилетиями.

Объектом стала NGC 4696 в 145 млн световых лет от Земли. Это центральная галактика скопления Центавра, одного из ближайших к нам крупных галактических скоплений. Наблюдения провели прибором NIRSpec на борту JWST: за 7,7 часа он собрал карту движения газа в центральных 618 × 618 парсеках галактики с разрешением около 10 парсеков. На таких расстояниях это уже почти работа пинцетом, а не широкой кистью.

Самая важная находка, о которой авторы рассказали сразу в двух научных работах, — компактный околоядерный диск радиусом около 120 парсеков. Если Hubble раньше видел здесь только S-образную структуру ионизованного газа, то JWST разложил её на многокомпонентный вращающийся диск. В нём есть и горячий ионизованный газ, и более холодный молекулярный водород.

Газ в диске движется со скоростью около 600 км/с. И что особенно важно, западная часть этого диска без разрыва переходит в длинный газовый мост. Скорости вещества в точке соединения совпадают. Это и стало первым прямым наблюдательным подтверждением того, что такие филаменты действительно подпитывают околоядерный диск, а не просто висят рядом в красивой проекции.

Дальше цепочка выглядит так: выбросы энергии из окрестностей чёрной дыры нагревают межгалактический газ. Потом часть этого газа всё же охлаждается, собирается в тонкие нити и под влиянием магнитных полей теряет угловой момент, который мешает падению к центру. После этого вещество попадает в диск и уже оттуда медленно спирально уходит к самой чёрной дыре.

Газовый мост к чёрной дыре

С питанием активных галактических ядер эта история тянется давно и всё время упирается в один и тот же вопрос: как вообще к центру продолжает поступать газ, если чёрная дыра своими джетами и излучением должна его разогревать и разгонять? Теория обратной связи как раз это и обещает. Но в реальных галактиках ядра остаются активными миллионы лет.

Намёки на ответ были и раньше. Радиотелескоп ALMA уже находил холодные молекулярные нити в центрах массивных галактик и скоплений, в том числе в скоплении Персея. Но прямую непрерывную связь между такой нитью и внутренним диском рядом с чёрной дырой зафиксировать не удавалось. Новые данные JWST закрыли именно этот разрыв.

Помогло и моделирование. Авторы сделали трёхмерные магнитогидродинамические расчёты, где учитываются и движение газа, и влияние магнитных полей. Симуляции воспроизвели форму, размеры и кинематику структуры, увиденной телескопом, включая переход от внешнего филамента к вращающемуся диску. Для астрофизики это редкий случай, когда наблюдения и вычисления почти не спорят друг с другом.

У результата есть и более широкий смысл. Если газ приходит к центру по разным нитям, ориентация околоядерного диска со временем может меняться. А раз джеты выбрасываются перпендикулярно диску, то и их направление тоже будет плавать. Это помогает распределять энергию по центральной области галактики более равномерно и сдерживать охлаждение газа, из которого иначе начали бы рождаться новые звёзды.

Для JWST это ещё один пример работы не только как телескопа первых галактик. Его 6,5-метровое зеркало и инфракрасные приборы всё активнее используют и для задач ближней Вселенной, где нужно разбирать сложную структуру газа и пыли в ядрах галактик. В этом режиме аппарат уже отбирает часть работы и у Hubble, и у наземных обсерваторий, хотя полностью их, конечно, не заменяет.

Теперь исследователям нужно проверить, насколько такой сценарий типичен для других активных галактик. Если похожие мосты найдут и в других системах, модель саморегуляции галактических ядер получит куда более прочную наблюдательную опору. Материал для этого есть: только в локальной Вселенной известны десятки центральных галактик скоплений с холодными филаментами, и именно они станут следующими кандидатами для JWST и ALMA.