Kall vind avslöjar det svarta hålets matvanor

För första gången någonsin har vi upptäckt en kraftig jetstråle av kall gas som tycks komma från en galaxkärna. Den tydligt sammanhängande strålen strömmar ut från galaxen NGC 1377 som ligger 70 miljoner ljusår bort från oss i stjärnbilden Eridanus (Floden). Strålen är cirka 500 ljusår lång, och den kalla gasen rör sig mycket snabbt – med hastigheter av mellan 300 och 800 kilometer i sekunden, vilket är mellan en och tre miljoner kilometer i timmen.

Att galaxer kan sända i väg strålar, som är hundratusentals till en miljon grader heta, känner vi till. Dessa jetstrålar skjuts ut från galaxens innersta kärna med ett supermassivt svart hål i centrum. Den nyupptäckta strålen bildas också av ett svart hål, men tvärtemot de kända jetstrålarna är den mycket kall, med temperaturer som närmar sig den absoluta nollpunkten och ligger på mellan –263 och –163 grader Celsius. Vi tror att den är ett resultat av ett mycket kortvarigare och snabbare förlopp då det svarta hålet växer snabbt.

Denna process är inte synlig i vanligt ljus, eftersom de stora mängderna gas och stoft som omger det svarta hålet hindrar det synliga ljuset från att passera. Men området kring det svarta hålet kan ses i strålning med längre våglängder som klarar av att ta sig fram mellan gasmolekylerna och förbi de täta molnen.

För att se in mot galaxens innersta delar använde vår forskargrupp därför det nya ALMA-teleskopet, som fångar ljus med våglängder på runt en millimeter, mellan infraröd strålning och radiostrålning. Radiovågor från gasmolekylerna kan obehindrat passera de tjocka slöjorna mellan stjärnorna i en galax och kan med en helt ny skärpa avslöja vad som sker i galaxernas mitt under deras mest extrema tillväxtfas.

ALMA står på en högplatå i Atacamaöknen i Chile och består av 66 samverkande antenner som är utspridda på upp till 16 kilometers avstånd från varandra. Teleskopet byggdes med syfte att studera det kalla universum. Det är ett perfekt instrument för att hitta och kartlägga kalla vindar, så vi är bara i början av alla upptäckter vi kommer att göra med ALMA.

Med ALMA-teleskopet har vi nu fångat in strålningen från molekyler av gasen kolmonoxid, som finns i den kalla jetstrålen från NGC 1377-galaxen. Denna galax är verkligen den fula ankungen. I synligt ljus är den en ganska trist, linsformad galax bland många andra i galaxhopen Eridanus. Men i millimetervågsljus framträder ett spektakulärt kallt utflöde.

Liknande jetstrålar, men tusentals gånger mindre, skapas i kollapsande gasmoln i det första skedet när en stjärna bildas ur molnet. I NGC 1377 är det däremot ett supermassivt svart hål, och inte en stjärna, som växer. Upptäckten stöder teorin om att supermassiva svarta hål växer mest effektivt genom att dra till sig kall gas, och inte het, som man tidigare trott.

Det pågår ingen stjärnbildning alls i galaxen NGC 1377. Den har bara en extremt kompakt stoftinbäddad kärna. Denna är så djupt begravd i kosmiskt damm att vi ännu inte vet vad som gömmer sig där inne. Vad det än är så vet vi nu att kärnan har förmågan att kasta ut enorma mängder kall gas. Men var all gas kommer ifrån från början är ett mysterium – NGC 1377 har inte mycket gas över huvud taget.

En spektakulär möjlighet är att galaxkärnan driver ut gas mot galaxens yttre regioner, där gasen sedan vänder och omedelbart faller tillbaka in mot mitten igen. På detta sätt skulle det supermassiva svarta hålet ha skapat ett eget system för att mata sig självt.

Gasen som faller tillbaka bidrar inte till någon stjärnbildning runt om galaxkärnan, utan matas direkt in mot det svarta hålet. Det kan antingen använda gasen till att växa sig större eller så drivs gasen ut igen, för att sedan få ett nytt försök att bidra till det svarta hålets massa i nästa varv.

Ett olöst problem har länge varit frågan om hur gasen kan nå fram till det svarta hålet och mata det, eftersom gasen då måste göra sig av med sin rörelseenergi som den har när den roterar längre ut i galaxskivan. Den kalla jetstrålen kan lösa problemet genom att den hjälper till att forsla bort rörelseenergin från gasen. Upptäckten av kolmonoxidstrålen är därför en viktig pusselbit för vår förståelse av hur supermassiva svarta hål kan fortsätta att växa sig allt tyngre inne i galaxerna.

Den kalla jetstrålen i NGC 1377 är inte bara ovanligt kall, den är också betydligt tyngre än de heta jetstrålarna och vindarna. Det betyder att samtidigt som den hjälper till att fösa in gas i det svarta hålet så transporterar den bort mycket större gasmängder från centrum av NGC 1377. Det gör att strålen först skyndar på tillväxten i galaxkärnan, men sedan också stänger av den. Så jetstrålen signalerar både tillväxt och stundande tider av ”svält” för det svarta hålet.

Ett annat mysterium är varför det finns en koppling mellan hur tungt ett svart hål är och den samlade massan hos galaxens centrala delar. Där hopas stjärnorna inom en sfär med en radie på över 1000 ljusår.

Vi tror nu att utflöden, vindar och jetstrålar från supermassiva svarta hål kan fungera som ett slags ”reglersystem” och utgöra en brygga för kontakt mellan det punktformiga svarta hålet och den omgivande galaxen. Exakt hur den här kontakten går till vet vi inte, och det finns flera teorier. Men utflödena möjliggör ändå kopplingen mellan ”det lilla” i galaxens centrum och ”det stora”, vilket är hela den omgivande galaxen.

Det finns enorma mängder gas i jetstrålen i NGC1377 – motsvarande över två miljoner solmassor. En viktig fråga är var den utkastade gasen tar vägen. Svaret beror på vilken hastighet den rör sig med.

Varje himlakropp har en flykthastighet som bland annat bestäms av den inåtverkande gravitationen. På jorden är flykthastigheten 11,2 kilometer i sekunden, vilket innebär att allt som rör sig snabbare än så far ut till rymden utan att falla tillbaka på jordens yta.

Om den kalla jetstrålen drivs ut med en hastighet som överstiger galaxens flykthastighet så lämnar den galaxen och far ut i den intergalaktiska rymden. Om utflödet är för långsamt så kan gasen fastna i halon, de tunna gasmoln som galaxen ligger inbäddad i.

I krockarna med halon upphettas den utströmmande gasen och kan inte ta sig någonstans förrän den kylts ner, vilket kan ta miljarder år. I så fall är gasen förlorad för galaxen under lång tid och kan inte användas, varken till att skapa nya stjärnor och planeter eller till att få det svarta hålet att växa.

En annan möjlighet, som nämnts ovan, är att gasen vänder och flödar tillbaka igen. På så sätt bidrar den till ett storskaligt kretslopp. Gasen som spytts ut från galaxens inre del kan antingen tjäna som bränsle till att bilda nya stjärnor i galaxens utkant eller så kan den flöda tillbaka till centrum och där bidra till att det centrala svarta hålet kan växa lite till.

Kanske det mest spännande med vår nya upptäckt av den kalla jetstrålen i NGC 1377 är att strålens riktning verkar rotera så att rotationsaxeln pekar åt olika håll och ritar en cirkel i rymden. Att det kan finnas en sådan rörelse, kallad precession, hos de inre delarna av galaxer har astronomerna misstänkt under en längre tid. Men fram tills nu har vi saknat tydliga bevis.

Med ALMA-teleskopet kan vi för första gången mäta hastighet och riktning hos en jetstråle från en galaxkärna, genom att noga mäta egenskaperna hos kolmonoxidens långvågiga strålning. Vi har fått starka bevis för att strålen faktiskt har bytt riktning efter en halv miljon år.

Detta är en kontroversiell upptäckt: För att en jetstråle ska kunna ändra riktning, så krävs det någon sorts störning. Denna kan utgöras av att galaxens gasskiva inte roterar på samma sätt som det svarta hålet i galaxens mitt. Eller så är orsaken att det finns två svarta hål i centrum på vår galax, NGC 1377.

Båda förklaringarna kräver att NGC 1377 tidigare har varit med om en kollision med en annan galax. När två galaxer krockar kommer deras svarta hål till slut att smälta samman. Det är ett alternativt sätt för de svarta hålen att växa och bli allt tyngre allt eftersom galaxerna och universum utvecklas.

Om det dväljs ett dubbelt svart hål inuti NGC 1377-galaxen så kan vi spekulera över hur den kalla jetstrålen även skulle kunna lösa ett annat långtgående problem. Det är problemet med det återstående avståndet eller, som det kallas på engelska, the final parsec problem (problemet med den sista parsecen). Parsec är ett astronomiskt mått på avstånd – en parsec motsvarar 3,26 ljusår.

Det är nämligen svårt att förklara hur två svarta hål som håller på att slås ihop kan överbrygga det sista avståndet på tre ljusår. När de svarta hålen är så nära varandra kan de omkringliggande stjärnorna inte längre ta upp den energi som krävs för att hålen ska flyta ihop. Däremot kan tät, kall gas mycket mer effektivt transportera bort energin och rörelsemängdsmomentet som krävs för att de två svarta hålen ska kunna bli ett. Men om det faktiskt hänger ihop på det sättet är det nog ännu för tidigt att säga.

Krockar mellan galaxer kan verka som något exotiskt och ovanligt. Men galaxer är inga isolerade öar i universum – de kan växelverka och kollidera med varandra och till slut smälta samman till en ny galax. Vi vet att den här processen sker än i dag. Vår egen galax Vintergatan är i hög fart på kollisionskurs med sin granne Andromedagalaxen, och de kommer att braka in i varandra om ungefär fyra miljarder år. Sådana krockar var ännu vanligare för länge sedan i universums barndom, då avstånden mellan galaxerna var mindre.

I kollisionen mellan två galaxer drivs enorma mängder gas mot de inre delarna av galaxerna. Gasen drar med sig stoft som gör att kärnan bäddas in i ett moln som skymmer sikten, så att vi inte längre kan se den i vanligt ljus.

De kosmiska kollisionerna driver galaxernas utveckling framåt på flera sätt. Ur krockar mellan spiralgalaxer skapas gigantiska elliptiska galaxer. Krockarna får också nya stjärnor att bildas på löpande band. Fenomenet har döpts till starburst då stjärnorna tänds med en hastighet som är upp till 100 gånger högre än i vår galax, där bara en handfull nya stjärnor varje år börjar sända ut sitt ljus. Kollisionerna ger även tillfälle för svarta hål att växa till sig, då galaxernas svarta hål smälter ihop.

Bränslet till all denna utveckling hittar galaxerna i den kalla molekylära gasen mellan stjärnorna med en temperatur på 10–100 grader Kelvin (–263 till –163 grader Celsius). Gasen består mest av molekylärt väte som är relativt tätt sammanpackat, åtminstone med astronomiska mått mätt. Molekylgasen driver stjärnbildning och matar svarta hål – utan den är galaxerna döda, de stannar av och kan inte utvecklas vidare.

Vindarna och utflödena av den kalla gasen ger alltså liv åt galaxerna. De utgör en destruktiv kraft som forslar ut mängder av gas som annars skulle ha blivit stjärnor och planeter. De bildar ett system som hindrar att galaxer och svarta hål växer sig för stora. Men det är också möjligt att gasutflöden kan leda till att nya stjärnor bildas. Dels kan det ske inne i själva utflödet, dels kan gasutflödet träffa andra galaxer och sätta i gång stjärnbildning där.

Och nu håller vi på att undersöka om de starka kalla jetvindarna också kan få svarta hål att få storhetsvansinne och faktiskt växa sig större än de borde, enligt gängse teorier – kanske har vi inne i NGC 1377 hittat ett svart hål som vet hur det ska skaffa sig mat …