อะไรขับเคลื่อนกาแลคซี? หลุมดำของทางช้างเผือกอาจเป็นกุญแจสำคัญ

เมื่อวันที่ 12 พฤษภาคม ที่งานแถลงข่าวพร้อมกัน XNUMX ครั้งทั่วโลก นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ เผยภาพแรก ของหลุมดำใจกลางทางช้างเผือก ในตอนแรก แม้จะดูน่ากลัว แต่ภาพวงแหวนแห่งแสงที่สร้างขึ้นอย่างอุตสาหะรอบๆ หลุมมืดใจกลางดาราจักรของเรา ดูเหมือนจะพิสูจน์สิ่งที่ผู้เชี่ยวชาญคาดไว้เท่านั้น นั่นคือ หลุมดำมวลมหาศาลของทางช้างเผือกนั้นมีอยู่จริง มันกำลังหมุน และเป็นไปตามของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

และเมื่อตรวจสอบอย่างละเอียดถี่ถ้วนแล้ว สิ่งต่าง ๆ ก็ไม่ค่อยซ้อนกัน

จากความสว่างของเบเกิลของแสง นักวิจัยได้ประมาณการไว้ เร็วแค่ไหน สสารตกลงสู่ราศีธนู A* ซึ่งเป็นชื่อที่ตั้งให้กับหลุมดำใจกลางทางช้างเผือก คำตอบคือ: ไม่เร็วเลย “มันอุดตันจนหยดนิดหน่อย” . กล่าว ปรียา นาตระจันนักจักรวาลวิทยาจากมหาวิทยาลัยเยล เปรียบเทียบกาแล็กซีกับหัวฝักบัวที่หัก อย่างใดเพียงหนึ่งพันของเรื่องที่ ไหลลงสู่ทางช้างเผือก จากมวลสารในอวกาศที่อยู่รอบๆ ทำให้มันลงไปจนสุดในรู “นั่นเป็นการเปิดเผยปัญหาใหญ่” ณัฐราจันท์กล่าว “แก๊สนี้จะไปไหน? เกิดอะไรขึ้นกับกระแส? เป็นที่ชัดเจนว่าเราต้องสงสัยความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการเติบโตของหลุมดำ”

ในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้ตระหนักถึงความสัมพันธ์ที่แน่นแฟ้นและมีพลังระหว่างกาแลคซีหลายแห่งกับหลุมดำที่จุดศูนย์กลาง “มีการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในภาคสนาม” . กล่าว ราเมศ นารายณ์นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ทฤษฎีที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด “สิ่งที่น่าประหลาดใจก็คือหลุมดำมีความสำคัญต่อรูปร่างและตัวควบคุมวิวัฒนาการของกาแล็กซี”

หลุมขนาดยักษ์เหล่านี้ — ความเข้มข้นของสสารหนาแน่นจนแรงโน้มถ่วงขัดขวางไม่ให้แม้แต่แสงหลุดรอด — เหมือนกับเครื่องยนต์ของกาแลคซี่ แต่นักวิจัยเพิ่งเริ่มเข้าใจว่าพวกมันทำงานอย่างไร แรงโน้มถ่วงดึงฝุ่นและก๊าซเข้าสู่ใจกลางกาแลคซี ซึ่งก่อตัวเป็นจานสะสมกำลังหมุนรอบหลุมดำมวลมหาศาล ทำให้ร้อนขึ้นและกลายเป็นพลาสมาร้อนสีขาว จากนั้น เมื่อหลุมดำกลืนกินสสารนี้ (ไม่ว่าจะเป็นหยดเล็กๆ น้อยๆ หรือระเบิดอย่างกะทันหัน) พลังงานจะถูกพ่นกลับเข้าไปในกาแลคซีในกระบวนการป้อนกลับ “เมื่อคุณสร้างหลุมดำ คุณกำลังผลิตพลังงานและทิ้งมันลงสู่สภาพแวดล้อมโดยรอบได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่ากระบวนการอื่นๆ ที่เรารู้จักในธรรมชาติ” กล่าว เอเลียต ควอแทร์ตนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ทฤษฎีที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ข้อเสนอแนะนี้ส่งผลต่ออัตราการก่อตัวดาวฤกษ์และรูปแบบการไหลของก๊าซทั่วดาราจักร

แต่นักวิจัยมีความคิดที่คลุมเครือเกี่ยวกับตอนที่ “แอคทีฟ” ของหลุมดำมวลมหาศาลเท่านั้น ซึ่งเปลี่ยนพวกมันให้กลายเป็นนิวเคลียสของดาราจักรแอคทีฟ (AGNs) ที่เรียกว่าแอคทีฟ “กลไกการกระตุ้นคืออะไร? สวิตช์ปิดคืออะไร? นี่เป็นคำถามพื้นฐานที่เรายังคงพยายามค้นหาอยู่” . กล่าว เคิร์สเตน ฮอลล์ ของศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ฮาร์วาร์ด-สมิธโซเนียน

การป้อนกลับของดาวฤกษ์ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อดาวระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา เป็นที่ทราบกันดีว่ามีผลคล้ายกับการป้อนกลับของ AGN ในระดับที่เล็กกว่า เครื่องยนต์ที่เป็นตัวเอกเหล่านี้มีขนาดใหญ่พอที่จะควบคุมดาราจักร "แคระ" ขนาดเล็กได้ง่าย ในขณะที่มีเพียงเครื่องยนต์ขนาดยักษ์ของหลุมดำมวลมหาศาลเท่านั้นที่สามารถครองวิวัฒนาการของดาราจักร "วงรี" ที่ใหญ่ที่สุดได้

ทางช้างเผือกซึ่งเป็นดาราจักรชนิดก้นหอยทั่วไปตั้งอยู่ตรงกลาง ด้วยสัญญาณที่ชัดเจนของกิจกรรมที่จุดศูนย์กลาง กาแลคซีของเรามีความคิดมานานแล้วว่าจะถูกครอบงำโดยผลสะท้อนกลับของดาวฤกษ์ แต่ข้อสังเกตล่าสุดหลายข้อแนะนำว่าผลป้อนกลับของ AGN เป็นตัวกำหนดรูปร่างด้วยเช่นกัน โดยการศึกษารายละเอียดของการทำงานร่วมกันระหว่างกลไกการป้อนกลับเหล่านี้ในดาราจักรบ้านเกิดของเรา และการต่อสู้กับปริศนาอย่างเช่น ความสลัวในปัจจุบันของราศีธนู A* นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์หวังว่าจะเข้าใจว่าดาราจักรและหลุมดำมีวิวัฒนาการร่วมกันอย่างไรโดยทั่วไป ทางช้างเผือก “กำลังกลายเป็นห้องทดลองทางดาราศาสตร์ที่มีพลังมากที่สุด” นาตาราจันกล่าว โดยทำหน้าที่เป็นพิภพเล็ก ๆ มัน "อาจถือกุญแจ"

 เครื่องยนต์ทางช้างเผือก

ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 นักดาราศาสตร์ยอมรับการมีอยู่ของหลุมดำในใจกลางดาราจักร เมื่อถึงเวลานั้น พวกเขาก็สามารถมองเห็นวัตถุที่มองไม่เห็นได้ใกล้ๆ มากพอที่จะสรุปมวลของพวกมันจากการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์รอบๆ ตัวพวกมัน อา ความสัมพันธ์ที่แปลกประหลาดเกิดขึ้น: ยิ่งดาราจักรมวลมาก หลุมดำตรงกลางยิ่งหนัก “สิ่งนี้แน่นมาก และมันเป็นการปฏิวัติโดยสิ้นเชิง อย่างใดหลุมดำกำลังพูดกับกาแลคซี” . กล่าว ติเซียนา ดิ มัตเตโอนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยคาร์เนกี เมลลอน

ความสัมพันธ์นี้น่าประหลาดใจเมื่อคุณพิจารณาว่าหลุมดำซึ่งมีขนาดใหญ่เท่าที่เป็นอยู่นั้นเป็นเพียงเศษเสี้ยวหนึ่งของขนาดดาราจักร (ตัวอย่างเช่น ราศีธนู A* มีน้ำหนักประมาณ 4 ล้านดวงอาทิตย์ ในขณะที่ทางช้างเผือกวัดมวลดวงอาทิตย์ได้ประมาณ 1.5 ล้านล้านมวลดวงอาทิตย์) ด้วยเหตุนี้ แรงโน้มถ่วงของหลุมดำจึงดึงแรงเพียงใดก็ตามที่บริเวณด้านในสุดของดาราจักร

สำหรับ Martin Rees นักดาราศาสตร์ Royal แห่งสหราชอาณาจักร ข้อเสนอแนะของ AGN ได้เสนอวิธีธรรมชาติในการเชื่อมต่อหลุมดำขนาดค่อนข้างเล็กกับกาแลคซีโดยรวม สองทศวรรษก่อนหน้าในปี 1970 รีสตั้งสมมติฐานอย่างถูกต้องว่าหลุมดำมวลมหาศาล เพิ่มพลังให้กับเครื่องบินเจ็ตเรืองแสง สังเกตพบในดาราจักรเรืองแสงสว่างไสวที่อยู่ห่างไกลบางแห่งที่เรียกว่าควาซาร์ เขายัง เสนอร่วมกับโดนัลด์ ลินเดน-เบลล์ หลุมดำจะอธิบายว่าทำไมจุดศูนย์กลางของทางช้างเผือกถึงเรืองแสง สิ่งเหล่านี้อาจเป็นสัญญาณของปรากฏการณ์ทั่วไปที่ควบคุมขนาดของหลุมดำมวลมหาศาลในทุกที่หรือไม่?

แนวคิดก็คือว่ายิ่งหลุมดำกลืนสสารมากเท่าไหร่ มันก็จะยิ่งสว่างขึ้น พลังงานและโมเมนตัมที่เพิ่มขึ้นจะพัดก๊าซออกไปด้านนอก ในที่สุด แรงดันภายนอกจะหยุดไม่ให้ก๊าซตกลงไปในหลุมดำ “นั่นจะยุติการเติบโต นั่นคือเหตุผล” รีส์กล่าว หรือในคำพูดของดิ มัตเตโอ "หลุมดำกินแล้วกลืน" ดาราจักรขนาดใหญ่มากทำให้หลุมดำที่อยู่ตรงกลางมีน้ำหนักมากขึ้น ทำให้ยากต่อการปล่อยก๊าซออกไปด้านนอก หลุมดำจึงขยายใหญ่ขึ้นก่อนที่มันจะกลืนเข้าไป

นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์บางคนเชื่อว่าพลังงานของสสารที่ตกลงมาสามารถถูกขับออกมาได้อย่างน่าทึ่ง “ตอนที่ฉันทำวิทยานิพนธ์ เราทุกคนต่างหมกมุ่นอยู่กับหลุมดำที่ไม่มีวันหวนกลับ — แค่ก๊าซเข้าไป” Natarajan ผู้ช่วยพัฒนาแบบจำลอง AGN feedback แรกในฐานะนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ Rees กล่าว “ทุกคนต้องทำอย่างระมัดระวังและรอบคอบ เพราะมันรุนแรงมาก”

การยืนยันแนวคิดป้อนกลับเกิดขึ้นในอีกไม่กี่ปีต่อมา จากการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ที่พัฒนาโดย Di Matteo และนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ โวลเกอร์ สปริงเกล และ ลาร์ส เฮิร์นควิสต์. “เราต้องการสร้างสวนสัตว์ที่น่าตื่นตาตื่นใจของกาแล็กซีที่เราเห็นในจักรวาลจริง” ดิ มัตเตโอกล่าว พวกเขารู้ภาพพื้นฐาน: กาแล็กซีเริ่มมีขนาดเล็กและหนาแน่นในเอกภพยุคแรก หมุนนาฬิกาไปข้างหน้าและแรงโน้มถ่วงทำให้คนแคระเหล่านี้แตกเป็นเสี่ยง ๆ จากการรวมตัวกันที่น่าตื่นตาตื่นใจ ก่อตัวเป็นวงแหวน วังวน ซิการ์ และทุกรูปทรงในระหว่างนั้น กาแล็กซีเติบโตในขนาดและความหลากหลาย จนกระทั่งหลังจากการชนกันมากพอ กาแล็กซีจะใหญ่และราบรื่น “มันจบลงด้วยการหยด” ดิ มัตเตโอ กล่าว ในการจำลอง เธอและเพื่อนร่วมงานของเธอสามารถสร้างก้อนกลมขนาดใหญ่ที่ไม่มีลักษณะเฉพาะเหล่านี้ขึ้นมาใหม่ ซึ่งเรียกว่าดาราจักรวงรี โดยการรวมดาราจักรก้นหอยหลายครั้ง แต่มีปัญหา

ในขณะที่ดาราจักรชนิดก้นหอยอย่างทางช้างเผือกมีดาวอายุน้อยจำนวนมากที่เรืองแสงสีฟ้า แต่ดาราจักรวงรีขนาดยักษ์นั้นมีเพียงดาวอายุมากที่เรืองแสงสีแดงเท่านั้น “พวกมันเป็นสีแดงและตายไปแล้ว” Springel จากสถาบัน Max Planck สำหรับฟิสิกส์ดาราศาสตร์ในเมือง Garching ประเทศเยอรมนีกล่าว แต่ทุกครั้งที่ทีมทำการจำลอง มันจะถ่มน้ำลายออกมาเป็นวงรีที่เรืองแสงเป็นสีน้ำเงิน สิ่งที่ปิดการก่อตัวดาวไม่ได้ถูกบันทึกไว้ในแบบจำลองคอมพิวเตอร์ของพวกเขา

จากนั้น Springel กล่าวว่า "เรามีความคิดที่จะเพิ่มการควบรวมกาแลคซีของเราด้วยหลุมดำมวลมหาศาลที่อยู่ตรงกลาง เราปล่อยให้หลุมดำเหล่านี้กลืนก๊าซและปล่อยพลังงานจนสิ่งทั้งปวงหลุดออกจากกัน เหมือนหม้อหุงความดัน ทันใดนั้นดาราจักรวงรีจะหยุดการก่อตัวดาวฤกษ์และกลายเป็นสีแดงและตายไปแล้ว”

“กรามของฉันลดลง” เขากล่าวเสริม “เราไม่ได้คาดหวังว่า [ผลกระทบ] จะสุดโต่งขนาดนี้”

โดยการทำซ้ำรูปไข่สีแดงและตายการจำลองนี้สนับสนุนทฤษฎีการป้อนกลับของหลุมดำของ Rees และ Natarajan หลุมดำแม้จะมีขนาดค่อนข้างเล็ก แต่ก็สามารถพูดคุยกับกาแลคซีโดยรวมผ่านการตอบรับ ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา แบบจำลองคอมพิวเตอร์ได้รับการขัดเกลาและขยายเพื่อจำลองแนวจักรวาลขนาดใหญ่ และพวกมันก็เข้ากับสวนสัตว์กาแลคซีที่เราพบเห็นรอบตัวเราในวงกว้าง การจำลองเหล่านี้ยังแสดงให้เห็นว่าพลังงานที่พุ่งออกมาจากหลุมดำเติมช่องว่างระหว่างกาแลคซี่ด้วยก๊าซร้อน ซึ่งไม่เช่นนั้นน่าจะเย็นลงแล้วและกลายเป็นดาวฤกษ์ “ตอนนี้ผู้คนต่างเชื่อมั่นว่าหลุมดำมวลมหาศาลนั้นเป็นเครื่องยนต์ที่น่าเชื่อถือมาก” สปริงเกลกล่าว “ไม่มีใครสร้างแบบจำลองที่ประสบความสำเร็จได้โดยไม่มีหลุมดำ”

ความลึกลับของคำติชม

ทว่าการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ยังคงทื่ออย่างน่าประหลาดใจ

ขณะที่สสารคืบคลานเข้ามาสู่ดิสก์สะสมมวลรอบหลุมดำ แรงเสียดทานจะทำให้พลังงานถูกผลักกลับออกไป ปริมาณพลังงานที่สูญเสียไปในลักษณะนี้คือสิ่งที่ผู้เขียนโค้ดใส่ลงในการจำลองด้วยมือผ่านการลองผิดลองถูก เป็นสัญญาณว่ารายละเอียดยังเข้าใจยาก “มีความเป็นไปได้ที่ในบางกรณี เราจะได้คำตอบที่ถูกต้องด้วยเหตุผลที่ไม่ถูกต้อง” Quataert กล่าว “บางทีเราอาจไม่ได้จับภาพสิ่งที่สำคัญที่สุดเกี่ยวกับการเติบโตของหลุมดำและการถ่ายเทพลังงานไปสู่สภาพแวดล้อม”

ความจริงก็คือนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ไม่ทราบจริงๆ ว่าฟีดแบคของ AGN ทำงานอย่างไร “เรารู้ว่ามันสำคัญแค่ไหน แต่มันหนีไม่พ้นสิ่งที่เราทำให้เกิดความคิดเห็นนี้” ดิ มัตเตโอ กล่าว “ปัญหาสำคัญคือเราไม่เข้าใจความคิดเห็นอย่างลึกซึ้งทางร่างกาย”

พวกเขารู้ว่าพลังงานบางส่วนถูกปล่อยออกมาเป็นรังสี ซึ่งทำให้จุดศูนย์กลางของดาราจักรแอคทีฟนั้นเรืองแสงเป็นประกาย สนามแม่เหล็กแรงสูงทำให้สสารหลุดออกจากจานเพิ่มกำลังเช่นกัน ไม่ว่าจะเป็นการกระจายลมของดาราจักรหรือในไอพ่นแคบอันทรงพลัง กลไกที่เชื่อว่าหลุมดำจะส่งไอพ่นที่เรียกว่า กระบวนการ Blandford-Znajekถูกระบุในปี 1970 แต่สิ่งที่กำหนดพลังงานของลำแสง และพลังงานของลำแสงถูกดูดกลืนโดยดาราจักรนั้น “ยังคงเป็นปัญหาแบบเปิดที่ยังหาคำตอบไม่ได้” Narayan กล่าว ลมกาแล็กซี่ซึ่งแผ่ออกมาเป็นทรงกลมจากจานเพิ่มมวลและมีแนวโน้มที่จะโต้ตอบกับดาราจักรโดยตรงมากกว่าไอพ่นแคบ ๆ นั้นยิ่งลึกลับเข้าไปอีก “คำถามพันล้านดอลลาร์คือ: พลังงานจับคู่กับก๊าซเป็นอย่างไร” สปริงเกลกล่าว

สัญญาณหนึ่งที่ยังคงมีปัญหาคือหลุมดำในการจำลองจักรวาลวิทยาอันล้ำสมัยสิ้นสุดลง มีขนาดเล็กกว่า มากกว่าขนาดหลุมดำมวลมหาศาลจริงที่สังเกตได้ในบางระบบ ในการปิดการก่อตัวดาวฤกษ์และสร้างกาแล็กซีสีแดงและที่ตายแล้ว การจำลองต้องใช้หลุมดำเพื่อขับพลังงานออกมามากจนดูดกลืนกระแสเข้าด้านในของสสาร เพื่อให้หลุมดำหยุดเติบโต “ผลตอบรับในการจำลองนั้นก้าวร้าวเกินไป มันขัดขวางการเติบโตก่อนเวลาอันควร” นาตาราจันกล่าว

ทางช้างเผือกเป็นตัวอย่างของปัญหาที่ตรงกันข้าม: การจำลองโดยทั่วไปคาดการณ์ว่าดาราจักรขนาดเท่ามันควรมีหลุมดำขนาดใหญ่กว่าราศีธนู A* ประมาณสามถึง 10 เท่า

โดยการมองใกล้ทางช้างเผือกและกาแลคซีใกล้เคียง นักวิจัยหวังว่าเราจะสามารถเริ่มคลี่คลายได้อย่างแม่นยำว่าฟีดแบ็ค AGN ทำงานอย่างไร

ระบบนิเวศทางช้างเผือก

ในเดือนธันวาคม 2020 นักวิจัยที่มีกล้องโทรทรรศน์เอ็กซ์เรย์ eROSITA รายงานว่าพวกเขามี พบคู่ของฟองสบู่ ยาวหลายหมื่นปีแสงเหนือและใต้ทางช้างเผือก ฟองอากาศขนาดมหึมาของรังสีเอกซ์คล้ายกับฟองอากาศของรังสีแกมมาที่ทำให้งงงันพอๆ กัน ซึ่งเมื่อ 10 ปีก่อน กล้องโทรทรรศน์รังสีแกมมาแฟร์มีตรวจพบว่าเล็ดลอดออกมาจากดาราจักร

สองทฤษฎีที่มาของฟองสบู่ Fermi ยังคงถูกถกเถียงกันอย่างถึงพริกถึงขิง นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์บางคนแนะนำว่าพวกเขาเป็นวัตถุเจ็ตที่ยิงออกมาจากราศีธนู A* เมื่อหลายล้านปีก่อน บางคนคิดว่าฟองสบู่เป็นพลังงานสะสมของดาวฤกษ์หลายดวงที่ระเบิดใกล้ใจกลางกาแลคซี ซึ่งเป็นการตอบรับของดาว

เมื่อ เซียงยี่กะเหรี่ยงหยาง ของมหาวิทยาลัยแห่งชาติ Tsing Hua ในไต้หวันเห็นภาพฟองอากาศเอกซเรย์ eROSITA เธอ “เริ่มกระโดดขึ้นและลง” เห็นได้ชัดว่า Yang รังสีเอกซ์อาจมีต้นกำเนิดร่วมกับรังสีแกมมา ถ้าทั้งสองสร้างด้วย AGN jet เดียวกัน (รังสีเอกซ์จะมาจากแก๊สตกใจในทางช้างเผือกมากกว่าจากตัวไอพ่นเอง) พร้อมด้วยผู้เขียนร่วม เอลเลน ซไวเบล และ มาเตอุสซ์ รุสโคฟสกี้เธอเริ่มสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ ผลลัพธ์ ตีพิมพ์ใน ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ธรรมชาติ ฤดูใบไม้ผลิที่ผ่านมานี้ ไม่เพียงแต่จำลองรูปร่างของฟองอากาศที่สังเกตได้และหน้ากระแทกที่สว่างสดใสเท่านั้น แต่คาดการณ์ว่าพวกมันก่อตัวขึ้นในช่วง 2.6 ล้านปี (ขยายออกจากเครื่องบินไอพ่นที่ทำงานเป็นเวลา 100,000 ปี) - เร็วเกินไปที่จะเป็น อธิบายโดยข้อเสนอแนะที่เป็นตัวเอก

การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นว่าผลป้อนกลับของ AGN อาจมีความสำคัญมากกว่าในดาราจักรดิสก์ที่ยังไม่มีการผลิตเช่นทางช้างเผือกมากกว่าที่นักวิจัยเคยคิด ภาพที่โผล่ออกมานั้นคล้ายกับของระบบนิเวศ หยางกล่าว โดยที่ AGN และการป้อนกลับของดาวฤกษ์นั้นสัมพันธ์กับก๊าซร้อนที่กระจายตัวซึ่งล้อมรอบดาราจักรซึ่งเรียกว่าตัวกลางเซอร์คัมกาแล็กซี เอฟเฟกต์และรูปแบบการไหลที่แตกต่างกันจะครอบงำในกาแลคซีประเภทต่างๆ และในเวลาที่ต่างกัน

กรณีศึกษาในอดีตและปัจจุบันของทางช้างเผือกอาจเปิดเผยถึงความเกี่ยวข้องของกระบวนการเหล่านี้ ตัวอย่างเช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Gaia ของยุโรป ได้ทำแผนที่ตำแหน่งและการเคลื่อนที่ที่แม่นยำของดาวฤกษ์ทางช้างเผือกหลายล้านดวง ช่วยให้นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ย้อนรอยประวัติศาสตร์ของการควบรวมกิจการกับดาราจักรขนาดเล็กได้ เหตุการณ์การควบรวมกิจการดังกล่าวถูกตั้งสมมุติฐานเพื่อกระตุ้นหลุมดำมวลมหาศาลโดยการเขย่าสสารเข้าไป ทำให้พวกมันสว่างขึ้นอย่างกะทันหันและแม้กระทั่งปล่อยไอพ่น “มีการถกเถียงกันอย่างมากในสาขานี้ว่าการควบรวมกิจการมีความสำคัญหรือไม่” Quataert กล่าว ข้อมูลดาวไกอา แสดงให้เห็น ว่าทางช้างเผือกไม่ได้เกิดการควบรวมกิจการในขณะที่ฟองสบู่ Fermi และ eROSITA ก่อตัวขึ้น ไม่ชอบการควบรวมกิจการในฐานะตัวกระตุ้นของเครื่องบินไอพ่น AGN

อีกทางหนึ่ง ก๊าซก้อนอาจเกิดขึ้นเพื่อชนกับหลุมดำและกระตุ้นมัน มันอาจสลับสับเปลี่ยนระหว่างการกิน การพ่นพลังงานออกมาเป็นไอพ่นและลมกาแล็กซี่ และหยุดชั่วคราว

 ภาพล่าสุดของ Sagittarius A* ของกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์ ซึ่งเผยให้เห็นกระแสของสสารที่ตกลงมา นำเสนอปริศนาใหม่ที่ต้องแก้ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ทราบอยู่แล้วว่าไม่ใช่ก๊าซทั้งหมดที่ดึงเข้าไปในดาราจักรจะไปถึงขอบฟ้าหลุมดำ เนื่องจากลมของดาราจักรผลักออกไปด้านนอกเพื่อต้านกระแสที่เพิ่มขึ้นนี้ แต่ความแรงของลมที่จำเป็นในการอธิบายการไหลที่เรียวมากนั้นไม่สมจริง “เมื่อฉันทำแบบจำลอง ฉันไม่เห็นลมแรงมาก” นารายณ์กล่าว “ไม่ใช่ลมที่คุณต้องการสำหรับคำอธิบายที่สมบูรณ์เกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้น”

การจำลองแบบซ้อน

ความท้าทายส่วนหนึ่งในการทำความเข้าใจว่ากาแลคซีทำงานอย่างไรคือความแตกต่างอย่างมากระหว่างมาตราส่วนความยาวที่เล่นในดวงดาวและหลุมดำ กับมาตราส่วนของดาราจักรทั้งหมดและบริเวณโดยรอบ เมื่อจำลองกระบวนการทางกายภาพบนคอมพิวเตอร์ นักวิจัยจะเลือกมาตราส่วนและรวมเอฟเฟกต์ที่เกี่ยวข้องไว้ที่ระดับนั้น แต่ในกาแลคซี่ เอฟเฟกต์ขนาดใหญ่และขนาดเล็กจะโต้ตอบกัน

“หลุมดำนั้นเล็กจริง ๆ เมื่อเทียบกับดาราจักรขนาดใหญ่ และคุณไม่สามารถรวมมันทั้งหมดไว้ในแบบจำลองขนาดมหึมาเพียงอันเดียวได้” นารายณ์กล่าว “แต่ละระบอบต้องการข้อมูลจากอีกฝ่าย แต่ไม่รู้ว่าจะเชื่อมโยงอย่างไร”

เพื่อพยายามลดช่องว่างนี้ Narayan, Natarajan และเพื่อนร่วมงานกำลังเปิดตัวโครงการที่จะใช้การจำลองแบบซ้อนเพื่อสร้างแบบจำลองที่สอดคล้องกันว่าก๊าซไหลผ่านทางช้างเผือกและกาแลคซี่ Messier 87 ที่อยู่ใกล้เคียง "คุณอนุญาตให้ข้อมูลมาจาก กาแล็กซี่บอกหลุมดำว่าต้องทำอะไร จากนั้นคุณยอมให้ข้อมูลจากหลุมดำกลับไปบอกกาแลคซีว่าต้องทำอะไร” นารายณ์กล่าว “มันเป็นวงวนที่วนไปวนมา”

การจำลองควรช่วยชี้แจงรูปแบบการไหลของก๊าซกระจายในและรอบ ๆ ดาราจักร (การสังเกตเพิ่มเติมของสื่อรอบกาแลคซีโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์จะช่วยได้เช่นกัน) "นั่นเป็นส่วนสำคัญของระบบนิเวศทั้งหมด" ควาเตอร์กล่าว “คุณจะเอาก๊าซลงสู่หลุมดำเพื่อขับเคลื่อนพลังงานทั้งหมดที่ไหลกลับออกมาได้อย่างไร”

ในรูปแบบใหม่ อินพุตและเอาต์พุตทั้งหมดระหว่างการจำลองของมาตราส่วนต่างๆ จะต้องสอดคล้องกัน ส่งผลให้มีการหมุนวงแหวนน้อยลง “หากการจำลองได้รับการตั้งค่าอย่างถูกต้อง มันจะตัดสินใจอย่างสม่ำเสมอว่าก๊าซจะไปถึงหลุมดำมากแค่ไหน” Narayan กล่าว “เราสามารถตรวจสอบและถามว่า: ทำไมมันไม่กินแก๊สทั้งหมด? ทำไมมันจู้จี้จุกจิกและใช้น้ำมันเพียงเล็กน้อย” กลุ่มนี้หวังว่าจะสร้างชุดภาพสแนปชอตของกาแลคซีในช่วงต่างๆ ของการวิวัฒนาการ

สำหรับตอนนี้ ส่วนใหญ่เกี่ยวกับระบบนิเวศทางช้างเผือกเหล่านี้ยังคงเป็นลางสังหรณ์ “นี่เป็นยุคใหม่จริงๆ ที่ผู้คนเริ่มคิดถึงสถานการณ์ที่ทับซ้อนกันเหล่านี้” Yang กล่าว “ฉันไม่มีคำตอบที่ชัดเจน แต่ฉันหวังว่าในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า”

 หมายเหตุบรรณาธิการ: ปัจจุบัน Priya Natarajan ดำรงตำแหน่งคณะกรรมการที่ปรึกษาทางวิทยาศาสตร์ของ Quanta