Астрономија

Зашто Црне рупе усред галаксија не усисају целу галаксију?

Зашто Црне рупе усред галаксија не усисају целу галаксију?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Као што је наведено у неколико извора, претпоставља се да у свакој галаксији постоји црна рупа у средини.

Моје питање је, зашто ове црне рупе усред галаксија не усисавају сву околну материју у галаксији?


Не бисте требали размишљати о црним рупама као о „усисавању ствари“. Црне рупе интерагују са материјом гравитацијом, баш као и било који други објекат. Замислите наш Сунчев систем. Све планете круже око Сунца јер има велику масу. Пошто планете имају неко бочно кретање (не крећу се директно према сунцу или од њега), они круже око њега. Ово је познато као очување момента кретања.

Када говоримо о гравитацији, битна је само маса предмета који су у њу укључени. Заправо није битно о каквом се објекту ради *. Ако бисте Сунце заменили црном рупом која је имала исту масу као и наше сунце, планете би наставиле потпуно истим путањама као и пре.

Сада црне рупе у центрима већине спиралних галаксија акумулирају масу. Неке од ових црних рупа имају дискове за увећање око себе. То су усковитлани дискови плина и прашине који полако падају у црну рупу. Ове честице гаса и прашине губе свој угаони замах интеракцијама са гасом и прашином у близини и зрачењем енергије као топлоте. Неке од ових црних рупа имају врло велике акреционе дискове и могу да генеришу огромне количине електромагнетног зрачења. Они су познати као активна галактичка језгра.

Дакле, укратко, црне рупе не „сисају“. Они само гравитирају са интеракцијом са стварима. Звезде, гас и друга материја у галаксији имају угаони импулс, тако да остају у орбити око центра галаксије. То не пада само равно. То је исти разлог због којег Земља кружи око Сунца.

* Изјава о одрицању одговорности: Када говорите о стварима попут плимних сила, морате узети у обзир величину предмета. Али за орбиталну механику, не треба да бринемо због тога, јер су растојања између објеката углавном много већа од самих предмета.


Такође морате да узмете у обзир тамну материју која гравитационо интерагује са свом „врућом материјом“ која се може видети на галактичком диску. Тамна материја је откривена пажљивим мапирањем орбита објеката у галаксијама и откривањем да материја која се може видети не може објаснити посматрано орбитално кретање. Једна од мистерија тамне материје је да се она не увлачи у црну рупу онако како је врућа материја. Тамна материја има практични ефекат уравнотежења гравитационог привлачења супермасивне црне рупе у центру галаксије.


све о ЕНТРОПИЈИ која је пропорционална површини хоризонта догађаја црне рупе (види доле хеуристички квантни аргумент због Моффат / Ванг-а зашто је то тако).

Под претпоставком да Сцхварзсцхилд-ово решење даје радијус од 2Гм за хоризонт догађаја са м масом црне рупе и Г Њутновом константом. Додавање масе црној рупи тако повећава њену ентропију. С обзиром на изоловани систем коначне укупне енергије, он има коначну максималну ентропију која делује као атрактор за динамику система, постављајући ограничење на хоризонт.

Ј вон Неуманн дефинише квантну верзију ентропије на следећи начин: Нека је ф нормално стање локалне алгебре осматрача О (Д) која делује на Хилбертов простор Х. Тада то ф можемо записати као конвексни збир чистих стања. За систем коначне енергије овај збир је коначан, јер је Х коначна димензија. Вон Неуманнов некомутативни еквивалент партиције је оператор густине, тј. Пондерисани збир пројекција на минималне векторске просторе који одговарају овим чистим стањима. Тада имамо добро позната еквиваленција;
За такво нормално стање ф, вон Неуманнова ентропија је дефинисана као ентропија тежина. Тумачимо је као (инверзну) меру количине информација коју ће квантни систем у датом стању дати мерењем. Што је већа ентропија квантног система, то се може извући мање информација. Вон Неуманнова ентропија црне рупе Спољни посматрач не може извршити поступак мерења према елементима у унутрашњости, изван хоризонта догађаја. Тако раздвајамо хоризонт догађаја црне рупе са елементима сваки површине к на квадрат, где је к Планцкова дужина и претпостављамо да Планкова област класично одговара минималној пројекцији чистог векторског стања. Нека је Н укупан коначан број партиција. Према хипотези „без длаке“ не постоји пожељна локација на хоризонту догађаја, тако да сваки елемент партиције мора имати исту тежину. Фон Неуманнова ентропија ове преграде је према томе пропорционална С површини црне рупе.


За галаксије са великим црним рупама, околна материја је унутра орбита око црне рупе, на исти начин на који месец кружи око земље.

Питање је директна аналогија са „Зашто Месец не падне на земљу?"или"Зашто планете не падну на сунце?". Црна рупа је масивнија од Сунца, али њени ефекти су исте врсте.


Брзи одговор на ваше питање био би хоризонт догађаја или радијус Сцхварзсцхилда. Све што је прилично близу овог радијуса / хоризонта, на крају ће усисати црна рупа.


Једном сам чуо за јапански цртани филм / филм / емисију где су свемирски гусари претили да ће планету Јупитер сабити у црну рупу и тако уништити пола галаксије Млечни пут.

Звучи као занимљива идеја, али ... чак и кад бисте могли сабити Јупитер у црну рупу, његова маса би остала иста, што значи да би Јупитер (данас црна рупа) и даље наставио да се креће око нашег сунца у истој орбити, и Јупитерови месеци и даље би наставили да круже око Јупитера као и пре.

Многи људи мисле да када се звезда једном сруши у црну рупу, њена „сиса снага“ (гравитациона сила) се повећава. То једноставно није случај. Веровали или не, многе звезде јесу мање масиван после претварају се у црну рупу него пре него што, када су сјале звезде. То је зато што на крају свог живота неке звезде бацају значајан део свог спољног слоја у свемир непосредно пре него што се сруше у црну рупу.

Читао сам да ако стиснете Земљу до величине трешње, њена густина би била толико велика да би се претворила у црну рупу. Под претпоставком да је то тачно и да је то заиста учињено, црна рупа Земље би и даље наставила да кружи око Сунца једном годишње, а Земљин месец би наставио да кружи око Земље отприлике једном у 29,5 дана. (Сада би се окретање нове Земље црне рупе око своје осе вероватно разликовало, али време потребно за орбиту око Сунца не би се променило.)

Изненађујуће, кад се Земља стисне у црну рупу величине трешње, у њу ће пасти мање свемирског отпада него раније (када је Земља била величине ... па, Земље). То је зато што би новоформирана Земља црне рупе заузела много мање простора (запремине), а астероидима и кометама би вероватније недостајало запремине величине трешње (или мало веће од величине трешње) која, ако се не пропусти, остаци би се усисали у црну рупу.

Кад би крхотине промашиле Земљу црних рупа чак километар (што би нам се могло чинити као велика удаљеност, али у астрономском смислу врло мало), одбациле би се у другом правцу, можда се више никада не би вратиле.

Дакле, у основи је уобичајена заблуда људи о црним рупама да ништа нема већу гравитацију од црне рупе и да звезде које се изненада формирају у црне рупе повећавају гравитацију и због тога добијају више „сисачке снаге“. То једноставно није тачно. Црне рупе и даље имају исту масу као и раније (понекад и мању, у зависности од тога како су формиране), а колико „сисачке снаге“ имају још увек зависи од тога колико масе чине.

Иако је можда тачно да су најмасовније звезде у свемиру заиста црне рупе (ако бисте их уопште назвали Звездице у том тренутку) постоји много звезда које су масивније (и зато имају више „сисачке снаге“) од многих црних рупа.

Дакле, чињеница да центар наше галаксије вероватно садржи супер-масивну црну рупу не значи да би црна рупа усисала више материје него да је у питању иста количина масе која случајно није у облику црне рупе.


Једноставан одговор је да све остало у галаксији иде бочно довољно брзо да би избегло усисавање. Уместо тога, сила сиса (ако желите) доводи до тога да се звездани путеви повуку у круг око црне рупе.

Ова појава је „орбита“. Као што су други одговори истакли, то је исти разлог због којег Земља не пада на Сунце или Месец пада на Земљу, и због чега Међународна свемирска станица јури око 17.150 миља на сат. Сви иду бочно, сила неког великог предмета претвара то бочно кретање у кружно кретање, а ако не иду довољно брзо, закривили би се („пали“) према том великом предмету и залетели у њега.

То је као да завртите канту на крају низа. Канта иде бочно, али канап је вуче према вама. Канта не одлети од вас због силе из струне и тако се закривљује у круг. Дешава се да сила из струне није довољна да сруши канту према унутра и удари вас.


Ово је уобичајена заблуда о црним рупама: да некако 'усисају' све око себе или увлаче ствари у себе. У стварности можете сада Сунце заменити црном рупом исте масе и не приметити било какву тренутну разлику. Није да би изненада почео да лебди на планетама око себе, то једноставно не функционише.


Гравитација следи закон обрнутог квадрата. Поједностављено речено ако удвостручите удаљеност од гравитационог извора који квартирате је ефекат. Дакле, ако удвостручите удаљеност од земље осећате се 1/4г. Важно је напоменути да како се удаљеност повећава никада неће бити 0, увек ће бити нека различита вредност без обзира на удаљеност.

Дакле, на галактичким удаљеностима сила гравитације централна црна рупа има врло мали ефекат.

Ово објашњава само део тога. Други део је очување момента кретања.

Сила гравитације и угаони момент су оно што је одговорно за орбите. У орбиталној механици подижете орбиту додавањем брзине, а не висине. Ваше додавање угаоног момента који подиже вашу орбиту. Да бисте спустили орбиту, смањите брзину која смањује кутни импулс и висину.

Дакле, да би ствари "пале" у црну рупу морају се мучити брзином где њихова орбита пресеца хоризонт догађаја. То је ретко случај или оне „ствари“ за почетак не би истински биле у орбити. Дакле, сама чињеница да све „ствари“ које чине галаксију круже око централне црне рупе значи да она не може само пасти у њу.

Ове 3 ствари су увек у равнотежи у стабилној орбити, сили гравитације, брзини и надморској висини (или удаљености од извора гравитације). Ако промените једног од њих, друга 2 такође морају да се промене. Ако смањите брзину, ваша висина опада, а гравитација се повећава. Ако повећате гравитацију, брзина се такође мора повећати или ће се надморска висина смањити.

Па видите да ствари не могу тек тако пасти у црну рупу. То је рекло да је моје мишљење да ће на крају све у галаксији пасти у централну црну рупу, међутим то ће потрајати много милијарди година.

Наравно, ово превише поједностављује ствари, и ја ни у ком случају нисам стручњак за ове ствари. Али то је нешто што могу да замислим у свом уму, равнотежу између импулса и гравитације.

в


Па, нисам студент физике, али мислим да људи обично с разлогом негују погрешно схватање „сисања моћи“ црне рупе.

Размотримо Њутнову једначину за гравитацију:

$ Ф = {Гм_им_ј овер р_ {иј} ^ 2} $ за два тела и и ј, а $ р_ {иј} $ је растојање између центра масе два тела.

Ако је Сунце данас изненада одлучило да постане црна рупа без проливања тежине, то неће утицати на Земљину орбиту, јер чак и ако се Сунчева запремина променила, $ р_ {иј} $ остаје константна.

Разлог зашто црне рупе „сисају“ је тај што, пошто заузимају изузетно мањи волумен у поређењу са планетама и звездама, компонента $ р_ {иј} $ може бити заиста заиста мала.

Исправите ме ако грешим.


Будите стрпљиви, на крају хоће, осим ако брзина ширења галаксије не премаши гравитациони раст црне рупе док троши материју око себе.

У том сценарију галаксија ће се на крају дифузисати, а њена материја ће наставити да се удаљава од црне рупе све док не наиђе на другу галаксију, у ком тренутку има добре шансе да се на крају усиса у црну рупу те галаксије. Ништа не преживљава заувек ... :-)


Успавани вулкан: црна рупа у срцу наше галаксије експлозивнија је него што смо мислили

Јосс Бланд-Хавтхорн прима средства од Аустралијског истраживачког савета, посебно од аустралијске лауреатске стипендије. Јосс је извршни директор Центра изврсности АСТРО-3Д који финансира АРЦ и директор је Сиднејског института за астрономију Универзитета у Сиднеју.

Партнери

Универзитет у Сиднеиу обезбеђује средства као члан Тхе Цонверсатион АУ.

Цонверсатион УК прима средства од ових организација

Супермасивна црна рупа у срцу наше Галаксије избацила је огромну бакљу зрачења пре 3,5 милиона година која би била јасно видљива са Земље.

У новом истраживању које ће ускоро бити објављено у Астропхисицал Јоурнал моје колеге и ја открили смо да је бакља оставила трагове у трагу гаса названом Магеланов ток који је удаљен око 200.000 светлосних година и окружује Млечни пут.

У тиму су Ралпх Сутхерланд и Брент Гровес са Аустралијског националног универзитета и АСТРО-3Д Магда Гуглиелмо, Вен Хао Ли и Андрев Цурзонс са Универзитета у Сиднеју Пхилип Малонеи са Универзитета у Колораду Гералд Цецил са Универзитета Царолина и Андрев Ј. Фок у Научном институту за свемирски телескоп у Балтимору.

Откриће мења наш поглед на централну црну рупу наше галаксије, која је изгледала успавано током забележене људске историје. Астрономи ће схватити да је био изузетно активан, чак и експлозиван, у релативно недавној прошлости у галактичком смислу (мерено милионима година).

Зрачење избија из врућег преденог гаса око супермасивне црне рупе у центру Млечног пута, остављајући трагове у Магелановом току. Заслуге: Јамес Јосепхидес / Свинбурне Университи.

Ова активност трепери и гаси се милијардама година. Не разумемо зашто је ова активност испрекидана, али има неке везе са начином на који се материјал баца на црну рупу. То би могло бити попут капљица воде на рингли које хаотично прскају и експлодирају, у зависности од њихове величине.

Наша ситуација на Земљи подсећа на живот у близини углавном успаваног вулкана попут Везува за који се зна да је у прошлости био експлозивно активан, са катастрофалним последицама за Помпеје.

Упркос овоме, нема потребе да се узнемиравамо: колико видимо, овде у орбити смо сигурни око хладне патуљасте звезде далеко од центра Млечног пута.

Светло подручје доле лево је центар галаксије. На овој инфрацрвеној слици могу се видети само најгушћи облаци прашине. Атлас / 2МАСС / Универзитет у Массацхусеттсу / Калифорнијски институт за технологију


6 одговора 6

Спирални кракови не значе да се маса усисава до центра. Они су само обрасци густине налик таласима.

Тела у орбити око центра галаксије налазе се у стабилној орбити попут Земље око Сунца и Месеца око Земље. Оно што се дешава је да гравитација чини центрипеталну силу (у орбиталном оквиру гравитација је уравнотежена центрифугалном силом), тако да не остаје нето радијално убрзање „преостало“ за усисавање тела.

Једини разлог због којег би ствари пале у центар је ако су тамо кренули. То се може догодити ако две звезде пролазе једна поред друге и праћкају се у супротним смеровима, од којих једна буде послата у центар галаксије.

Оригиналном постеру: Изгледа да делујете под заблудом „холивудског“ да црна рупа некако „сиса теже“ од исте количине масе у облику који није црна рупа. Међутим, ова лажна „црна рупа ствара огромно сисање“ заблуда је један од многих, многих концепата физике да „холивуд“ потпуно погрешно ствара црну рупу дате масе баш тако једнако јако гравитационо поље као објекат направљен од „нормалне материје“ исте масе. Ако би, на пример, Сунце било некако тренутно замењено црном рупом од 1 соларне масе, орбите свих планета у Сунчевом систему и најмање би остале непромењене, а једини начин на који би неко знао да се нешто догодило био би тај „Сунце се изненада смрачило“.

Нити упркос површним изгледима, галаксија није „вртлог каде“ који одводи низ централну супермасивну црну рупу, као што су приметили други плакати, спирални кракови нису „потоци материје“, већ концентрације сјајних, врућих, краткотрајних звезда које настају на трагу „таласа густине“ који се шире гасом и прашином галактичког диска.

Стога, као што су приметили други постери, звезде не „падају“ у централну супермасивну БиХ из истог разлога из којег планете не „падају“ у Сунце: оне се налазе у стабилним орбитама око галаксије.


Које звезде се претварају у црне рупе?

Слика Амине Каддари са Пикабаи-а

У космосу постоји много различитих врста звезда и свака од њих има своју судбину. Али основни захтев да звезда постане црна рупа је миса. Ако је маса звезде до 10 Сунчеве масе, на крају свог живота постаће а бели патуљак тип звезда.

Ако звезда има масу између 10 до 25 Сунчевих маса, могуће и више ако је звезда била посебно богата металима, на крају свог живота постаће неутронска звезда. И коначно, ако звезда има масу изнад 25 Сунчевих маса постоје добре шансе да маса остатка језгра премаши границу Толман – Оппенхеимер – Волкофф од 2 - 3 Сунчеве масе и настави да се урушава у себи стварајући црна рупа.

Велика већина звезда у галаксији Млечни пут завршиће као бели патуљци. Астрономи су то израчунали преко 97% свим звездама у нашој галаксији, укључујући и наше Сунце, недостаје маса да постане нешто више од белог патуљка. Ово нам оставља преосталих 2-3% звезда од којих ће неке постати неутронске звезде, а неке звездане црне рупе.


Зашто су центри галаксија тако светли?

Верујем да је пречник хоризонта догађаја црних рупа у центру наше галаксије само неколико десетина АУ. ВРЛО ЈЕ ВРЛО мали у поређењу са укупном величином галаксије. Поврх тога, он & куотеат лигхт & куот осим ако светло не уђе у њега. С обзиром на то да је тако мала, практично сва светлост која се емитује у галаксији у потпуности јој недостаје.

Не можемо добро да видимо центар наше галаксије, јер у рукама наше галаксије има пуно прашине која блокира видљиву светлост. Али можемо да користимо камере да видимо у инфрацрвеној и испод њих, КОЈЕ ПРОлазе кроз прашину. У микроталасној опсегу имамо довољно резолуције да видимо где је хоризонт догађаја када црна рупа поједе гас и прашину и све остало у њу спирале гледајући како се гас и прашина загревају и емитују ЕМ зрачење пре него што се прогута. До сада је било тихо и није се у њему ништа спирално спиралирало, али верујем да следеће године постоји гигантски облак гаса који ће почети да се спирално увлачи. То би требала бити права представа!


Астрономи проналазе црне рупе које не упијају тамну материју

Постоји уобичајена идеја да црне рупе усисавају све у оближњој близини вршећи снажан гравитациони утицај на материју, енергију и простор који их окружује. Али астрономи су открили да је тамна материја око црних рупа можда друга прича. Тамна материја се некако одупире & # 8216асимилацији & # 8217 у црну рупу.

Око 23% Универзума чини мистериозна тамна материја, невидљиви материјал откривен само гравитационим утицајем на околину. Сматра се да су у раном свемиру накупине тамне материје привлачиле гас, који се затим спојио у звезде које су на крају окупиле галаксије које данас видимо. У својим напорима да разумеју настајање и еволуцију галаксија, астрономи су провели доста времена покушавајући да симулирају накупљање тамне материје у овим објектима.

Др Ксавиер Хернандез и др Виллиам Лее са Националног аутономног универзитета у Мексику (УНАМ) израчунали су начин на који црне рупе пронађене у центру галаксија апсорбују тамну материју. Ове црне рупе имају нешто између милиона и милијарди пута веће масе Сунца и увлаче материјал великом брзином.

Истраживачи су моделирали начин на који тамну материју апсорбују црне рупе и открили су да је брзина којом се то догађа врло осетљива на количину тамне материје која се налази у близини црних рупа. Да је ова концентрација већа од критичне густине од 7 Сунчевих материја раширених по свакој кубној светлосној години свемира, маса црне рупе би се тако брзо повећавала, отуда захваћајући тако велике количине тамне материје, да би ускоро читава галаксија била промењена даље препознавање.

„Током милијарди година од формирања галаксија, таква одбегла апсорпција тамне материје у црним рупама променила би популацију галаксија од онога што заправо посматрамо“, рекао је Хернандез

Њихов рад стога сугерише да густина тамне материје у центрима галаксија има тенденцију да буде константна вредност. Упоређујући своја запажања са оним што предвиђају тренутни модели еволуције Свемира, Хернандез и Лее закључују да је вероватно неопходно променити неке претпоставке које подупиру ове моделе - тамна материја се можда неће понашати онако како су научници мислили.

Тамо се рад појављује у часопису Монтхли Нотицес оф тхе Роиал Астрономицал Социети.


Фондација Кавли К & # 038А: Како галаксије умиру?

Аутор: Уредници Ски & амп Телесцопе 15. септембра 2016 0

Примајте овакве чланке послане у пријемно сандуче

Свим галаксијама је суђено да „умру“ и престану да праве звезде. Али зашто остају такви, када чак и мртве галаксије на крају сакупе све гасовите састојке који су им потребни да би их вратили у своје дане славе звезданог ковања?

По утиску овог уметника, гас се повлачи из галаксије лево у галаксију десно. Украдени гас покреће енергичне ветрове из галаксије у десној централној, супермасивној црној рупи. Ови ветрови загревају и ремете расположиви гас који би се иначе таложио и формирао нове звезде. Галаксија с десне стране ушла је у оно што су астрономи у својој еволуцији недавно описали као фазу „црвеног гејзира“.
Кавли ИПМУ

Према новом истраживању, разлог што галаксије умиру лежи у супермасивним црним рупама које се вребају у центрима мртвих галаксија. У недавном раду, научници су открили да ове црне рупе избацују енергију која загрева гас у беживотним галаксијама - гас који би се иначе хладио и кондензовао у нове генерације звезда. Попут гејзира, ове се енергетске ерупције дешавају периодично и брзином која осигурава да мртве галаксије остају пуне старих, црвених звезда, а да никада не добију другу прилику за живот. Астрофизичари су стога надимак галаксијама које пролазе кроз ову фазу назвали „црвеним гејзирима“.

Налаз баца светло на животне циклусе милијарди галаксија које насељавају наш универзум, укључујући оно што бисмо могли предвидети као судбину наше сопствене галаксије, Млечног пута.

Фондација Кавли недавно је разговарала са тројицом астрофизичара о овим новооткривеним црвеним гејзирима и о томе како држе галаксије мртвим и закопаним.

    - постдокторанд је на Кавли институту за физику и математику универзума (Кавли ИПМУ) Универзитета у Токију. Водећи је аутор недавног рада у Природа описујући црвене гејзирске галаксије. - је доцент на Кавли ИПМУ и оснивач и главни истражитељ програма Мапирање оближњих галаксија на Апацхе Поинт Обсерватори (МаНГА) програму, који је открио црвене гејзирске галаксије. Коаутор је часописа Натуре. - је доцент на Одељењу за астрономију на Универзитету Висцонсин, Мадисон. Њена истраживачка средишта су регулација стварања звезда у галаксијама како оне еволуирају.

Следећи уређени транскрипт њиховог округлог стола дат је љубазношћу Фондације Кавли. Учесницима је пружена прилика да измене или допуне своје примедбе.

ФОНДАЦИЈА КАВЛИ: Колико добро разумемо животни циклус галаксије - од рођења, када формира пуно звезда, до смрти, када је формирање звезда престало?

ЕДМОНД ЦХЕУНГ: Ево општег тренда онога што мислимо да галаксије раде. Почињемо са галаксијама које формирају звезде у раном свемиру. Временом некако мењају структуру и облик, прелазећи из спиралних галаксија попут Млечног пута у велике, надуте, старе галаксије које имају елиптични облик. Ове старе галаксије некако престају да формирају звезде и постају оно што називамо мировањем или „мртвим“. Многе милијарде година их спречавају да формирају звезде. Ова свеукупна трансформација још увек је за нас мистерија.

КЕВИН БУНДИ: Немамо целу слику, али очигледно постоје неки основни обрасци како галаксије еволуирају. Имамо осећај за те обрасце, на основу тога како се дистрибуирају уочљива својства галаксија попут њихових боја, облика итд. Али заиста не знамо који физички механизми покрећу те обрасце. То је оно што смо сви заинтересовани за откривање.

ЦХРИСТИ ТРЕМОНТИ: Као што су Едмонд и Кевин управо објаснили, имамо одличан обрис галаксија са широким четкама. Али повезивање тачака и стварно разумевање физике галаксија је оно што је на граници.

ТКФ: Разговарајмо о овим новим галаксијама "црвени гејзир" које сте открили. Како нам помажу да схватимо зашто мирујуће галаксије више не стварају звезде и остају мртве?

ЦХЕУНГ: Чудно је да старе мирне галаксије имају пуно гаса у себи, а ипак не формирају звезде. На крају, сви састојци су ту, баш као и за млађе галаксије. Сада са црвеним гејзирима, докази постају све јачи да супермасивне црне рупе у центрима мирних галаксија спречавају стварање звезда због одлива ветрова плина.

ТРЕМОНТИ: „Ветар“ је тежак појам, јер имамо своју земаљску интерпретацију како то значи. Можда би било боље да о овим ветровима размишљамо као о изливима, који потичу из средишта галаксија, где се налазе супермасивне црне рупе. Ови одливи могу имати велики утицај на еволуцију галаксије јер могу однети значајну количину гаса из галаксије која би иначе формирала звезде.

У случајевима црвених гејзира, ветрови додају пуно енергије галаксији. Та енергија одржава гас лепим, врућим и турбулентним, тако да не може да се охлади и сруши у облаке прашине и гаса који служе као звездани расадници.

БУНДИ: Оно што је Цхристи управо рекла управо је разлог зашто мислимо да су ови црвени гејзири тако узбудљиви. Успели смо да проценимо количину енергије коју садржи ветар и врсту грејања које може да постигне. Али има још много посла. Једна од ствари коју морамо да схватимо је тачно како се енергија у ветру преноси на гас галаксије. Пронашли смо врло обећавајући механизам, али морамо даље да проучимо како он заправо функционише.

ТРЕМОНТИ: То је део који недостаје и који астрономи још увек забијају.

ЦХЕУНГ: Треба напоменути да ми не видимо директно ефекте супермасивних црних рупа у нашим црвеним гејзирима јер, колико год бисмо то волели, те црне рупе не можемо видети. Оно што ми радимо је закључивање да ови ветрови морају бити из централног извора, а једини извор који изгледа смислено је супермасивна црна рупа.

ТКФ: Супермасивне црне рупе пронађене у центрима готово свих галаксија изузетно су мале у поређењу са самим галаксијама - само око милијарду дела величине галаксије. Да ли сте изненађени да нешто тако релативно ситно може одредити судбину производње звезда у целој галаксији, како описује ваше ново истраживање?

БУНДИ: Живо се сећам да су ме учили у првој години основне школе, пре око 15 година, да није било шансе да супермасивна црна рупа има било какав утицај на своју галаксију, јер постоји таква разлика у размерама, као што сте управо истакли. То је био стандардни одговор из уџбеника. Од тада су се ствари заиста драматично промениле. Препознали смо да су супермасивне црне рупе врло честе у центрима галаксија. Такође смо схватили да ако део енергије проистекле из материјала који пада у црне рупе вратите у околну галаксију, можете тој галаксији учинити велике ствари.

ЦХЕУНГ: Ја сам мало млађи од Кевина и чуо сам готово исту ствар на својим градским студијама - да су супермасивне црне рупе баш тако мале, како би могле утицати на своје галаксије? Звучи прилично смешно.

ТРЕМОНТИ: Ваге су изненађујуће, али управо је тако велика количина енергије повезана са овим црним рупама, мислимо да оне морају бити покретач.

У ствари, биолози су већ радили тако нешто означавајући биомолекуле малим молекулима који емитују флуоресцентну светлост када су осветљени. То им је омогућило да лоцирају означене молекуле унутар ћелија и виде шта раде. Али ако у малом простору има пуно молекула, све што су могли да виде кроз микроскоп била је једна велика накупина.

Па сам се питао да ли бих могао да искључим флуоресценцију неких молекула, само на кратко. Тада бих искључио светле, а тамне. На овај начин бих се побринуо да молекули један поред другог истовремено не емитују светлост. Одвајајући њихову емисију, могао бих да разликујем густо упаковане карактеристике. Ово је побољшало нашу способност да видимо детаље за ред величине.

БУНДИ: Мислим да ипак морамо бити мало опрезни. Кад год препознамо нови, узбудљиви феномен, постоји тенденција да се за све нове ствари појаве ствари које не разумемо. Можда супермасивне црне рупе могу решити све наше проблеме у еволуцији галаксије. Сигурно постоје снажни докази о вези између црних рупа и галактичких животних циклуса, али без обзира на то било је смешно видети како се ова идеја током последњих година одвија у научној заједници.

ТКФ: Кевине, ви водите мапирање оближњих галаксија на опсерваторији Апацхе Поинт, или истраживање МаНГА. Шта разликује истраживање МаНГА од претходних напора на проучавању оближњих галаксија и омогућило је ово потпуно ново откриће црвених гејзира?

БУНДИ: Скуп података који су многи астрономи користили за разумевање оближњих галаксија је из Слоан Дигитал Сурвеи-а. It contains information about more than a million galaxies but we only have the technological means to sample the central regions of the galaxies. So we have to infer what a whole galaxy is like from its center. That’s a problem because galaxies aren’t uniform.

What we would really like to do is something like a CT scan for every galaxy, like doctors do for patients. We’d like to obtain a spectrum at every point across the galaxy’s face. That’s what MaNGA can do.

With MaNGA, we’ve got almost 3,000 galaxies now, so we’re already the largest by far of what we call integral field surveys that study galaxies in this detailed manner. We’re on track to reach our goal of 10,000 by the middle of 2020.

Importantly, we’re capturing all of the galaxy classes in the nearby universe, which is why MaNGA was able to find a lot of red geysers. Seeing all these red geysers gave us the confidence they are a broad phenomenon worth pouring our lives into, as Edmond and I have the last year and a half.

TKF: How often do we think galaxies become red geysers?

CHEUNG: Theorists, working with computer simulations, have proposed red geyser events, when the black hole winds kick up, happen once every 100 or 200 million years or so, which is fairly frequent in a cosmic sense, and often enough to keep dead galaxies from forming new stars.

BUNDY: With the MaNGA survey, we get a snapshot of galaxies, so we see them only at one specific point in their life cycle. Roughly 10 percent of the quiescent galaxies in our current sample appear to be in this red-geyser phase. Our hypothesis is that red geysers are a fairly short-lived phase that could be going on-and-off in all the quiescent galaxies we see.

That figure of a red geyser breaking out in a galaxy every 100 to 200 hundred million years is interesting. It’s similar to how often you might expect trickles of gas to come in from outside the galaxy, maybe triggering a red geyser, or existing gas in galaxies to flow into the central black hole, and likewise trigger a red geyser.

CHEUNG:So this is why we think we have found a mechanism that can keep a quiescent galaxy, well, quiescent!

TKF: What got you interested in studying the life cycles of galaxies?

CHEUNG: To be honest—it was because galaxies just look so pretty. When I first started grad school, I really wasn’t sure what I wanted to do in astronomy. But my advisor showed me some galaxies, and when I realized I can look out into the sky with telescopes and actually see these objects, that got me hooked.

BUNDY: That takes me back to when I used to be an amateur astronomer. I lived in Southern California and I would go out to the desert east of Los Angeles with my telescope. Some of the most amazing things you can see are nearby galaxies. I found them beautiful and interesting. Then in graduate school, I found I really enjoyed working with data and connecting it to the observations of galaxies, like we do with big surveys such as the Sloan Digital Sky Survey that Christy has worked on, and MaNGA [Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory], that Edmond and I work on.

A picture of the Sloan Foundation 2.5-meter Telescope at Apache Point Observatory in southeastern New Mexico, where the MaNGA program is being conducted.
SDSS

TREMONTI: It’s funny, my path was actually almost the opposite of Edmond’s and Kevin’s. I remember at my first colloquium in grad school, someone showed lots of spectra of galaxies. Spectra are measurements of the brightness of objects as a function of their wavelength or color. They look like wiggly lines, sort of like cardiograms. And I thought, who could work on spectra? Why would anybody love those?

But then I started working on the Sloan Digital Sky Survey in the late 1990s. I learned that each spectrum kind of tells its own story. Now I can look at them and instantly know things about the galaxies they were obtained from, such as approximately how many stars the galaxy is making, and how old it is. So for me, the hook was spectra and all this hidden information they contained.

TKF: It sounds like we have a lot of the ‘what,’ but we’re not very clear on the ‘how’ when it comes to the life cycles of galaxies.

TREMONTI: Yeah, I think that’s putting it perfectly!

TKF: What else do you hope to learn about the life cycles of galaxies from the data you’re collecting with the MaNGA survey?

CHEUNG: These red geysers are my priority. I hope to further explore how their different aspects relate to galaxy evolution. That said, there’s so much out there that the MaNGA survey could discover. It’s an amazing dataset that is making a lot of things possible.

BUNDY: We’ve just rolled out a splash of publications in various stages of peer-review or acceptance at scientific journals. They provide a smattering of the science that is being done with MaNGA. A lot of work is focusing on the dynamics inside galaxies, studying differences between how the stars and gas are rotating. Some MaNGA team members are also trying to determine when and how rapidly stars form in different locations within a galaxy. That can that tell us about how the galaxies were assembled over time.

Another powerful thing MaNGA can do because of its large sample is look at the cosmic environment galaxies are sitting in—are they next to other galaxies or by themselves—and compare how this affects their structure and internal makeup. Because there’s just so many things being explored, it’s hard to say what the most exciting result will be that MaNGA eventually uncovers.

TREMONTI: With the original Sloan Digital Sky Survey, I did a lot of work on chemical evolution in galaxies—how the heavy elements created in stars scatter into a galaxy and enrich its gases over time. But these investigations were always incomplete because, again, as Kevin said, we were just sampling the centers of galaxies. That doesn’t tell you the whole story. Now with MaNGA, we have this more complete view of galaxies.

TKF: Let’s close the conversation with our own galaxy, the Milky Way. It’s still forming stars at a moderate rate. But could the Milky Way one day go through a red geyser phase?

CHEUNG: I think it’s a fair conclusion that eventually the Milky Way is going to become full of old, red stars. It is definitely on its way. Current studies have found that the average color of all the Milky Way’s stars places it in what astronomers refer to as the “green valley.” We think this is a transition phase between a young galaxy forming lots of new stars, which gives it a bluish color, and an old galaxy with a preponderance of red stars. After the Milky Way shuts down star formation, and we’re still not sure how black holes, or something else, do that, we think that the red geyser process is going to be critical in keeping this newly dead Milky Way from forming future stars.

This artist's conception shows an edge-on view of the Milky Way galaxy, with the gamma-ray bubbles that Fermi deteted in pink.
NASA GSFC

BUNDY: From a much more speculative point of view, there’s no reason why winds from supermassive black holes couldn’t occur in galaxies that are actively forming stars. Though these winds would be harder to detect and verify, it leads one to wonder if there may be black hole-induced winds in the Milky Way nowadays.

In 2015, researchers discovered a pair of so-called Fermi bubbles, which are these giant lobes of energetic gamma rays emanating from the center of our galaxy. They probably formed because of the Milky Way’s supermassive black hole feeding on matter. [Read more about Fermi bubbles in a separate Kavli Roundtable.] Maybe this is setting the stage for when the Milky Way’s star formation is shut down and our galaxy becomes a red geyser.

TREMONTI: Those Fermi bubbles are so interesting and there’s so much we don’t know about them. Maybe they are a sign of what’s to come for the Milky Way.


Are Backward Black Holes the Key to Galaxies' Biggest Blasts?

If you're planning to be a star, steer clear of supermassive black holes that spin in the opposite direction from their surrounding galaxies. Astrophysicists now think that, for reasons predicted by Einstein's general theory of relativity, such black holes tend to create unusually energetic jets of particles—powerful enough to interfere with the star-making process not only within the galaxy but also across intergalactic space. The findings, if confirmed, would solve a longstanding mystery about why some galaxies produce much bigger—and therefore more energetic—particle jets than others do.

Every massive galaxy contains at its center at least one supermassive black hole. These monsters can pack the mass of up to a billion suns or more into a space about the size of our solar system. All of that matter creates an immense amount of gravity, enough to suck in any gas, dust, planet, star—even light—unfortunate enough to get caught within its sphere of influence. The black hole's gravity helps to compress and flatten the surrounding matter into a spinning pancake called an accretion disk.

Along with that disk, a supermassive black hole also spins. Except that its spinning severely warps space and time, a process that liberates enormous amounts of energy. Much of that energy can flow in the form of gigantic, magnetically driven, high-speed particle jets that spew from the north and south poles of the black hole's spin axis. Like cosmic tsunamis, the jets sweep away everything in their path for hundreds of thousands of light-years—including the dust and gas that normally would have congealed into new stars and planets. If a neighboring galaxy happens to be in the way, a jet can disrupt its star-making activity as well.

Astronomers have observed such jets in many galaxies, nearly all of them in the very distant universe, seen as it existed billions of years ago. But some galaxies display jets of much less energy, and others show no jets at all. Why the discrepancy?

The answer has stumped astrophysicists for more than a decade. Some theorists proposed that the power of galactic jets depended on the speed of a black hole's spin: The faster the spin, the stronger the jet. But then they found galaxies with fast-spinning supermassive black holes that produced no jets at all. Obviously, some other factor was at work.

So theorists proposed that the big jets could be created by black holes spinning "backward"—in the opposite direction from their accretion disks. The physics of these so-called retrograde black holes, they calculated, would create more powerful magnetic fields—and magnetic fields are what drive the jets.

Eventually, a few galaxies were found whose radio emissions suggested that they could be harboring retrograde supermassives, and those galaxies indeed displayed powerful jets, but until now no one had figured out a reason for the connection. In an upcoming issue of the Monthly Notices of the Royal Astronomy Society, a team of astrophysicists claims to have found the answer—and it's relatively simple. Studying the galaxies suspected of hosting retrograde supermassive black holes, they found that the galaxies with the biggest jets were all located at great distances, meaning that they existed when the universe was much younger. As the distances to the galaxies diminish, the researchers argue, so do the power of their jets—and the likelihood that their central black holes are retrograde.

The team inferred that, over time, the inertia of the surrounding galaxy and accretion disk wears down the spin of the warped space created by a retrograde supermassive. Eventually, they concluded, retrograde black holes actually reverse their spin and begin rotating in the direction of their galaxy, thereby losing the energy to create particle jets. But for a while, the relativistic dynamo of spinning warped space, meeting incoming matter trapped by the black hole's gravity, blasts out so much energy that even an exploding star would be minuscule by comparison. "Our findings tell us that general relativity is a fundamental driver of galaxy evolution via black hole spin," says astrophysicist and co-author David Garofalo of NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California.

As to why black holes become retrograde in the first place, Garofalo says that he suspects mergers of supermassive black holes in the early universe are responsible. Confirming the idea will require further research, but in the meantime, he says, the findings imply "that general relativity is important in the evolution of galaxies and thus to the universe as we know it—a rather surprising idea."

The researchers explain "a lot of observational facts with a single, simple hypothesis—and that's a good thing," says astrophysicist Steven Willner of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts. On the other hand, he says, supermassive black holes and their host galaxies are influenced by many complicated processes. So "no single idea is going to be the whole story," he says. "We'll need some more work to see how important this idea is."

Astrophysicist Christopher Reynolds of the University of Maryland, College Park, says it's a new idea that retrograde accretion is particularly effective at tapping into relativistic energy and forming powerful jets. If the researchers are correct, he says, "this maybe is the clue we've been looking for to understand why powerful [jets] are found in certain environments."


Black Holes

Black holes are the strangest objects in the Universe. A black hole does not have a surface, like a planet or star. Instead, it is a region of space where matter has collapsed in on itself. This catastrophic collapse results in a huge amount of mass being concentrated in an incredibly small area. The gravitational pull of this region is so great that nothing can escape – not even light.

Although black holes cannot be seen, we know they exist from the way they affect nearby dust, stars and galaxies. Many of them are surrounded by discs of material. As the discs swirl around them like a whirlpool, they become extremely hot and give off X-rays.

Black holes come in many different sizes. Many of them are only a few times more massive than the Sun. These 'stellar-mass' black holes form when a heavyweight star, about 10 times heavier than the Sun, ends its life in a supernova explosion. What is left of the star – still several solar masses - collapses into an area only a few kilometres across.

Most galaxies, including the Milky Way, have supermassive black holes at their centres. These may be millions or billions of times heavier than our Sun. Supermassive black holes also power active galaxies and ancient galaxies known as quasars. Quasars may be hundreds of times brighter than even the largest ordinary galaxies.

Objects that fall into black holes are literally stretched to breaking point. An astronaut who ventured too close and was sucked into a black hole would be pulled apart by the overpowering gravity.


Is there a black hole in the center of our galaxy?

We live on a planet – orbiting a star – one among billions of stars in our Milky Way galaxy. The center of the Milky Way is about 25,000 light-years away, in the direction of the constellation Sagittarius.

Artist’s concept of black hole and companion star via NASA

We can’t see the exact center of our galaxy with the eye alone. Dust hides it from view. But astronomers do use other forms of electromagnetic radiation – including infrared and radio waves – to probe our galaxy’s core. They’ve learned that strange things are happening there.

For decades, astronomers have detected a faint emission of radio waves from the center of the galaxy. They call this central radio source Sagittarius A* (Sagittarius A* is pronounced “Sagittarius A-Star,” by the way.) The region emitting the radio waves is small. It would nearly fit between our Earth and sun.

More recently, astronomers learned that about a dozen stars appear to be orbiting this central region of the Milky Way. At least one star moves in orbit almost unbelievably fast – at a speed of about 3,000 miles per second. In contrast, our sun moves around the galaxy’s center at about 140 miles per second.

Artist’s rendition of a black hole drawing gas off a nearby star. Credit: NASA E/PO, Sonoma State University, Aurore Simonnet

And this central region of our galaxy is very still. It’s barely moving at all. If it were an ordinary object, the gravity of nearby objects would pull on it – and it would be experiencing some motion.

For all of these reasons and more, astronomers suspect there’s a black hole in the center of our galaxy. In other words, there might be a lot of mass squeezed into a small space. But this is no ordinary black hole. The black hole at the heart of our galaxy is extremely massive – at least four million times more massive than our sun.

There’s nothing special about our galaxy. It’s one of billions of galaxies in the universe.
And astronomers have come to believe that there are black holes in the centers of most – if not all – galaxies.

This video shows how NASA’s Swift satellite made the discovery of a new black hole in our Milky Way, one of only about a dozen known.