Det er relativt nemt for galakser at lave stjerner. Start ud med en masse tilfældige klatter af gas og støv. Typisk vil disse klatter være ret varme. For at gøre dem til stjerner skal du køle dem af. Ved at dumpe al deres varme i form af stråling kan de komprimere. Dump mere varme, komprimer mere. Gentag i en million år eller deromkring.
Til sidst krymper stykker af gasskyen og krymper og komprimerer sig selv til en stram lille knud. Hvis tæthederne inde i disse knob bliver høje nok, udløser de nuklear fusion og voila: stjerner fødes.
Når vi observerer massive galakser, ser vi enorme mængder røntgenstråling sprænge væk fra deres kerner. Denne stråling transporterer naturligt varme væk. Denne stråling køler naturligt galakserne ned, især i deres kerner. Så gassen i kernen skal komprimere og krympe i volumen. Det omgivende materiale bør lægge mærke til det og falde ind bagved det og tragte sig selv ind i kernen.
Dette sammensatte billede viser de centrale områder af den nærliggende Circinus-galakse, der ligger omkring 12 millioner lysår væk. Data fra NASAs Chandra X-ray Observatory er vist i blåt, og data fra Hubble Space-teleskopet er vist i gult, rødt, cyan og lyseblåt.
Og ikke bare en lille smule: så meget som tusinde solmasserPer årburde kollapse ind i kernerne af de mest massive galakser, mens de køler, køler, køler.
Denne enorme afkøling og komprimering burde efterhånden udløse enorme mængder af stjernedannelse. Når alt kommer til alt, har du de helt rigtige betingelser: Masser af ting kølet ned i små små lommer.
Så i disse galakser med masser af røntgenoutput, burde vi se tonsvis af nye stjerner dukke frem.
Det gør vi ikke.
Det er et problem.
Varme og hyggelige galakser
Noget skal holde disse galakser varme på trods af det store varmetab fra deres røntgenstråling. Noget skal forhindre gassen i at komprimere hele vejen ned for at fremstille stjerner. Noget skal holde stjernelys skruet lavt ned .
Som med de fleste mysterier inden for astronomi er der forskellige ideer, alle med deres egne styrker og svagheder, og ingen af dem er helt tilfredsstillende. De mange forskellige mekanismer, der bruges til at forklare denne gåde, inkluderer supernova-feedback, kraftige chokbølger, der blæses ud af massive stjerner, magnetiske felter, der går galt, og endda ændring af selve galaksens form for at forhindre yderligere afkøling.
Måske er de nemmeste ting at bebrejde de supermassive sorte huller, der sidder i centrum af galakserne. Når gassen afkøles og strømmer indad, trækker den sig selv til det sorte hul. Tyngdekraftens massive sugende hvirvel føder sultent gassen og driver den længere ned. Men med al den gas, der komprimeres til så lille en volumen, bliver den opvarmet enormt.
Nogle gange, hvis blandingen af stærke magnetiske kræfter er den helt rigtige, kan gasstrømme rulle rundt i det sorte hul, og næppe undgå glemsel under begivenhedshorisonten, vinde og hvirvle rundt, til sidst sprængning ud af området i form af en lang, tynd stråle .
Denne jet bærer en masse energi. Nok energi til at varme hele galaksens kerne op, hvilket forhindrer yderligere afkøling.
Hvis det ikke er godt nok, kan den ekstreme stråling, der udsendes af den intense varme gas, når den bliver skubbet ned i spiserøret i det sorte hul, sprænge væk mod omgivelserne og give mere end nok varme til at standse - og endda vende - strømmene af kølig gas .
Måske.
Et råddent hjerteslag
Dette scenarie er bestemt tiltalende, fordi det er a) virkelig almindeligt og b) virkelig kraftfuldt. Ved første øjekast er det en perfekt clincher, men naturen, som sædvanlig, som en vane med at blive grim. Problemet er, at fodring af sorte huller er fantastisk komplicerede systemer, med alle mulige fysiske processer blandet sammen, hvilket gør dem svære at studere.
Og ville du ikke vide det, når vi forsøger at simulere disse scenarier på en computer og følger fysikken så godt vi kan og bedst forstår, har vi mange problemer med at få de rigtige mængder energi ind de rigtige steder. Nogle gange bliver galakserne bare ved med at køle af. Nogle gange sprænger de. Nogle gange svinger de for hurtigt frem og tilbage mellem opvarmning og afkøling.
Selvom vi endnu ikke har et fuldstændigt og endeligt billede, gør forskerne støt, om end langsomt, fremskridt med at forstå forholdet mellem gigantiske sorte huller og deres værtsgalakser. I en nylig avis , brugte videnskabsmænd avancerede computersimuleringer til at forsøge at undersøge det fulde billede, inklusive så meget af den detaljerede fysik som muligt.
Kunstnerens indtryk af ULAS J1120+0641, en meget fjern kvasar drevet af et sort hul med en masse to milliarder gange Solens masse. Kredit: ESO/M. Kornmesser
De fandt ud af, at når det kommer til disse fantastiske processer, der byder på naturens fantastiske råkraft, når det er råest, så betyder det finesser. Sikker på, den intense stråling, der afgives af den indfaldende gas og strålerne, der undslipper fra nær den dødelige overflade af de sorte huller, spiller en rolle i reguleringen af galaksernes temperatur. Men de fejler ofte og bruger deres energi forkert på de forkerte steder eller på de forkerte tidspunkter.
Fysik til undsætning
Men stråling og jetfly er ikke de eneste ting, der drives af de centrale supermassive sorte huller. Kosmiske stråler, små ladede partikler, der rejser tæt på lysets hastighed , oversvømme nærhed af malstrømmen. De hjælper med at transportere varme i et pænt jævnt, stabilt tempo, og holder galaksens hjerteslag i gang i en regelmæssig rytme.
Plus der er god gammeldags turbulens, med rullende chokbølger og generelt dårligt temperament drevet af opblussen i midten. Denne turbulens gør et fint stykke arbejde med at forhindre omgivende gas i at afkøle fuldstændigt og briste i stjernedannelse.
Så er dette det, hele historien? Selvfølgelig ikke. Galakser er levende, åndende væsner, med massive tyngdekraftsmotorer, der driver deres hjerter, og sammenflettede strømme af gas formet af stærke – og nogle gange eksotiske – kræfter. Det er et svært problem at studere, men fascinerende, da vi ved at fastlægge forholdet mellem galakser og deres sorte huller, som kommunikeret gennem strømme og forstyrrelser af kølig gas, kan forsøge at låse op for historien om galakseudviklingen i sig selv.
Læs mere: ' Kosmiske stråler eller turbulens kan undertrykke kølestrømme (hvor termisk opvarmning eller momentuminjektion svigter) '