Astronomer har länge brottats med ett av universums mest förbryllande mysterier.
De största galaxerna borde enligt teorin innehålla betydligt fler stjärnor än de faktiskt gör.
Nu har forskare med hjälp av den avancerade rymdmissionen XRISM hittat nya ledtrådar som pekar mot en möjlig förklaring: supermassiva svarta hål kan blåsa bort det material som behövs för att skapa nya stjärnor.
Den nya forskningen ger för första gången en tydligare bild av när dessa extrema kosmiska vindar uppstår och hur de påverkar galaxernas utveckling.
Ett kosmiskt mysterium
I teorin borde massiva galaxer vara ännu rikare på stjärnor än vad astronomerna observerar.
Problemet är att något verkar bromsa eller helt stoppa stjärnbildningen.
För att nya stjärnor ska födas krävs enorma moln av kall gas som gradvis kollapsar under sin egen gravitation.
Men i många av universums största galaxer saknas stora delar av denna gas.
Under de senaste två decennierna har forskare misstänkt att supermassiva svarta hål kan vara orsaken.
Svarta hål är inte bara gravitationsmonster
De flesta förknippar svarta hål med objekt som slukar allt i sin närhet.
Men de är också kapabla att producera några av universums mest energirika fenomen.
När gas och stoft faller in mot ett svart hål bildas en roterande struktur som kallas en ackretionsskiva.
I denna skiva värms materialet upp till extrema temperaturer.
Friktion, magnetfält och gravitationskrafter gör att:
- Gasen blir miljontals grader varm
- Röntgenstrålning produceras
- Plasma bildas
- Kraftiga utflöden uppstår
Det är dessa utflöden som forskarna tror kan påverka hela galaxers framtid.
Vindar med kraft att förändra galaxer
De så kallade AGN-vindarna (Active Galactic Nucleus winds) kan färdas med tusentals kilometer per sekund.
Om de är tillräckligt starka kan de bokstavligen blåsa bort de gasreserver som annars skulle användas för att skapa nya stjärnor.
Detta fenomen kallas:
Galaktisk återkoppling (galactic feedback)
Det anses idag vara en av de viktigaste mekanismerna bakom galaxernas utveckling.
Problemet har varit att forskarna hittills haft svårt att studera exakt hur dessa vindar bildas och när de blir som starkast.
XRISM ger astronomerna nya ögon
Här kommer den nya rymdmissionen XRISM in i bilden.
XRISM står för:
X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission
Satelliten utvecklades av den japanska rymdorganisationen JAXA i samarbete med NASA och Europeiska rymdorganisationen ESA.
Den sköts upp 2023 och började samla vetenskapliga data under 2024.
Det som gör XRISM unik är dess exceptionella förmåga att analysera röntgenstrålning.
Instrumenten har ungefär tio gånger högre energiupplösning än tidigare generationers rymdteleskop.
Det gör det möjligt att studera detaljer i svarta håls utflöden som tidigare varit osynliga.
NGC 4151 blev ett perfekt laboratorium
Forskarna riktade XRISM mot galaxen NGC 4151.
Galaxen ligger ungefär 52 miljoner ljusår från jorden och är en av de mest studerade aktiva galaxerna i universum.
I centrum finns ett supermassivt svart hål som aktivt slukar materia.
Det gör NGC 4151 till ett idealiskt laboratorium för att undersöka hur AGN-vindar uppstår.
Vindarna drivs av magnetiska krafter
Tidigare analyser från forskargruppen visade att utflödena i NGC 4151 kan nå hastigheter som är tillräckliga för att påverka hela galaxen.
De fann också tecken på att vindarna drivs av så kallad:
Magnetocentrifugal acceleration
Fenomenet påminner om hur magnetiska krafter på solen kan skapa kraftiga solutbrott och koronamassutkastningar.
I fallet med svarta hål hjälper magnetfälten till att kasta ut material från ackretionsskivan med enorm kraft.
Forskarna hittade den avgörande tidpunkten
Den nya studien fokuserade på en fråga som länge varit obesvarad:
När blir vindarna som starkast?
För att ta reda på detta analyserade forskarna hundratals dagars observationer från XRISM.
De studerade:
- Förändringar i röntgenljusstyrka
- Variationer i röntgenspektrum
- Utbrott från ackretionsskivan
- Hastigheten hos de observerade utflödena
Resultaten visade något oväntat.
De kraftigaste vindarna uppstod inte samtidigt som de ljusstarkaste utbrotten.
Istället kom de i regel ungefär:
10 000 sekunder senare
Det motsvarar cirka 2,8 timmar.
Ett nytt verktyg för att förutsäga svarta håls aktivitet
För att identifiera mönstret utvecklade forskaren Xin ”Cindy” Xiang ett nytt analysmått som kombinerar ljusstyrka och röntgenspektrum.
Måttet fick namnet:
Cindicity
Namnet är både en vetenskaplig term och en lek med forskarens eget namn.
Tanken är att astronomer i framtiden ska kunna använda cindicity-värden för att förutsäga när kraftiga utflöden är på väg att uppstå.
Om metoden fungerar på fler galaxer kan den bli ett viktigt verktyg för framtida forskning.
Därför spelar detta roll
Att förstå AGN-vindar handlar inte bara om svarta hål.
Det handlar om att förstå varför galaxer ser ut som de gör.
Nästan alla stora galaxer innehåller ett supermassivt svart hål i sitt centrum.
Om dessa svarta hål kan reglera stjärnbildningen genom att kontrollera tillgången på gas påverkar de hela galaxens utveckling under miljarder år.
Det innebär att svarta hål kanske inte bara är galaxernas mest destruktiva objekt.
De kan också vara några av deras viktigaste arkitekter.
En ny era för röntgenastronomi
XRISM har bara varit i drift under en kort tid men levererar redan resultat som förändrar forskarnas syn på hur galaxer utvecklas.
Genom att avslöja detaljer i svarta håls utflöden som tidigare varit dolda ger satelliten astronomerna möjlighet att studera samspelet mellan svarta hål och galaxer med en precision som tidigare varit omöjlig.
Och om resultaten från NGC 4151 visar sig gälla även för andra galaxer kan forskarna vara på väg att lösa ett av de största mysterierna inom modern astronomi – varför universums största galaxer inte innehåller så många stjärnor som de borde.
