Pesquisas combinando observações sistemáticas com simulações cosmológicas descobriram que, surpreendentemente, buracos negros podem ajudar certas galáxias a formarem novas estrelas. Em escalas de galáxias, o papel dos buracos negros supermassivos para a formação de estrelas já havia sido visto como destrutivo - buracos negros ativos podem retirar galáxias do gás de que as galáxias precisam para formar novas estrelas. Os novos resultados, publicado no jornal Natureza , mostrar situações em que buracos negros ativos podem, em vez de, "limpar o caminho" para galáxias que orbitam dentro de grupos ou aglomerados de galáxias, evitando que essas galáxias tenham sua formação estelar interrompida enquanto voam através do gás intergaláctico circundante.

Acredita-se que os buracos negros ativos tenham uma influência destrutiva em seus arredores. À medida que eles explodem energia em sua galáxia hospedeira, eles aquecem e ejetam o gás da galáxia, tornando mais difícil para a galáxia produzir novas estrelas. Mas agora, pesquisadores descobriram que a mesma atividade pode realmente ajudar na formação de estrelas - pelo menos para as galáxias satélites que orbitam a galáxia hospedeira.

O resultado contra-intuitivo veio de uma colaboração desencadeada por uma conversa na hora do almoço entre astrônomos especializados em simulações de computador em grande escala e observadores. Como tal, é um bom exemplo para o tipo de interação informal que se tornou mais difícil em condições de pandemia.

As observações astronômicas que incluem a obtenção do espectro de uma galáxia distante - a separação semelhante a um arco-íris da luz de uma galáxia em diferentes comprimentos de onda - permitem medições bastante diretas da taxa na qual essa galáxia está formando novas estrelas.

Indo por tais medidas, algumas galáxias estão formando estrelas em taxas bastante calmas. Em nossa própria galáxia, a Via Láctea, apenas uma ou duas novas estrelas nascem a cada ano. Outros passam por breves explosões de atividade excessiva de formação de estrelas, chamado "estouro de estrelas", com centenas de estrelas nascidas por ano. Em ainda outras galáxias, a formação de estrelas parece ser suprimida, ou "extinto, "como dizem os astrônomos:essas galáxias praticamente pararam de formar novas estrelas.

Um tipo especial de galáxia, espécimes dos quais são frequentemente - quase metade do tempo - encontrados em tal estado de têmpera, são as chamadas galáxias satélites. Estes são parte de um grupo ou aglomerado de galáxias, sua massa é comparativamente baixa, e eles orbitam uma galáxia central muito mais massiva, semelhante à maneira como os satélites orbitam a Terra.

Essas galáxias normalmente formam muito poucas estrelas novas, se em tudo, e desde os anos 1970, astrônomos suspeitaram que algo muito parecido com o vento contrário pode ser o culpado:grupos e aglomerados de galáxias não contêm apenas galáxias, mas também gás tênue bastante quente enchendo o espaço intergaláctico.

Enquanto uma galáxia satélite orbita através do aglomerado a uma velocidade de centenas de quilômetros por segundo, o gás fino faria sentir o mesmo tipo de "vento contrário" que alguém andando de bicicleta veloz, ou moto, vai sentir. As estrelas da galáxia satélite são compactas demais para serem afetadas pelo fluxo constante de gás intergaláctico que se aproxima.

Mas o próprio gás da galáxia satélite não é:ele seria removido pelo gás quente que se aproxima em um processo conhecido como "remoção de pressão ram". Por outro lado, uma galáxia em movimento rápido não tem chance de puxar uma quantidade suficiente de gás intergaláctico, para reabastecer seu reservatório de gás. O resultado é que essas galáxias satélites perdem seu gás quase completamente - e com ele a matéria-prima necessária para a formação de estrelas. Como resultado, a atividade de formação de estrelas seria extinta.

Os processos em questão ocorrem ao longo de milhões ou mesmo bilhões de anos, portanto, não podemos vê-los acontecendo diretamente. Mas mesmo assim, existem maneiras de os astrônomos aprenderem mais. Eles podem utilizar simulações de computador de universos virtuais, programados de forma a seguir as leis relevantes da física - e comparar os resultados com o que realmente observamos. E eles podem procurar pistas reveladoras no abrangente "instantâneo" da evolução cósmica que é fornecido por observações astronômicas.

Annalisa Pillepich, um líder de grupo no Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA), é especialista em simulações desse tipo. O conjunto de simulações IllustrisTNG, que Pillepich co-liderou, fornece os universos virtuais mais detalhados até hoje - universos nos quais os pesquisadores podem seguir o movimento do gás em escalas comparativamente pequenas.

IllustrisTNG fornece alguns exemplos extremos de galáxias satélites que foram recentemente removidas pela pressão ram:as chamadas "galáxias água-viva, "que estão rastreando os restos de seu gás como águas-vivas estão rastreando seus tentáculos. Na verdade, identificar todas as medusas nas simulações é um projeto de ciência cidadã lançado recentemente na plataforma Zooniverse, onde os voluntários podem ajudar na pesquisa desse tipo de galáxia recém-extinta.

Mas, enquanto as galáxias de água-viva são relevantes, eles não são onde o presente projeto de pesquisa começou. Durante o almoço em novembro de 2019, Pillepich relatou um de seus resultados do IllustrisTNG diferente para Ignacio Martín-Navarro, um astrônomo especializado em observações, que estava na MPIA com uma bolsa Marie Curie. Um resultado sobre a influência de buracos negros supermassivos que alcançaram além da galáxia hospedeira, no espaço intergaláctico.

Esses buracos negros supermassivos podem ser encontrados no centro de todas as galáxias. A matéria que cai em tal buraco negro normalmente se torna parte de um chamado disco de acreção rotativo em torno do buraco negro, antes de cair no próprio buraco negro. Essa queda no disco de acreção libera uma enorme quantidade de energia na forma de radiação, e muitas vezes também na forma de dois jatos de partículas que se movem rapidamente, que aceleram para longe do buraco negro em ângulos retos com o disco de acreção. Um buraco negro supermassivo que emite energia dessa forma é chamado de Núcleo Galáctico Ativo, AGN para breve.

Embora IllustrisTNG não seja detalhado o suficiente para incluir jatos de buraco negro, ele contém termos físicos que simulam como um AGN está adicionando energia ao gás circundante. E como a simulação mostrou, que a injeção de energia levará a saídas de gás, que por sua vez se orientarão ao longo de um caminho de menor resistência:no caso de galáxias de disco semelhantes à nossa Via Láctea, perpendicular ao disco estelar; para as chamadas galáxias elípticas, perpendicular a um plano preferido adequado definido pelo arranjo das estrelas da galáxia.

Hora extra, as saídas de gás bipolar, perpendicular ao disco ou plano preferido, irá tão longe a ponto de afetar o ambiente intergaláctico - o gás tênue que cerca a galáxia. Eles vão empurrar o gás intergaláctico para longe, cada saída criando uma bolha gigantesca. Foi esse relato que fez Pillepich e Martín-Navarro pensarem:se uma galáxia satélite passasse por essa bolha, seria afetada pelo fluxo de saída, e sua atividade de formação de estrelas seria extinta ainda mais?

Martín-Navarro abordou esta questão em seu próprio domínio. Ele tinha vasta experiência em trabalhar com dados de uma das maiores pesquisas sistemáticas até hoje:o Sloan Digital Sky Survey (SDSS), que fornece imagens de alta qualidade de grande parte do hemisfério norte. Nos dados publicamente disponíveis do décimo dado da pesquisa, ele examinou 30, 000 grupos e aglomerados de galáxias, cada uma contendo uma galáxia central e em média 4 galáxias satélites.

Em uma análise estatística desses milhares de sistemas, ele encontrou um pequeno, mas marcante diferença entre as galáxias satélites que estavam perto do plano preferido da galáxia central e os satélites que estavam marcadamente acima e abaixo. Mas a diferença estava na direção oposta que os pesquisadores esperavam:satélites acima e abaixo do avião, dentro das bolhas mais finas, eram em média não mais prováveis, mas cerca de 5% menos probabilidade de ter sua atividade de formação de estrelas extinta.

Com esse resultado surpreendente, Martín-Navarro voltou para Annalisa Pillepich, e os dois realizaram o mesmo tipo de análise estatística no universo virtual das simulações IllustrisTNG. Em simulações desse tipo, Afinal, a evolução cósmica não é colocada "à mão" pelos pesquisadores. Em vez de, o software inclui regras que modelam as regras da física para esse universo virtual tão naturalmente quanto possível, e que também incluem condições iniciais adequadas que correspondem ao estado de nosso próprio universo logo após o Big Bang.

É por isso que simulações como essa deixam espaço para o inesperado - neste caso particular, para redescobrir o avião, distribuição fora do plano de galáxias satélites extintas:O universo virtual mostrou o mesmo desvio de 5% para a extinção de galáxias satélites! Evidentemente, os pesquisadores estavam no caminho certo.

Em tempo, Pillepich, Martín-Navarro e seus colegas propuseram uma hipótese para o mecanismo físico por trás da variação de têmpera. Considere uma galáxia satélite viajando através de uma das bolhas diluídas que o buraco negro central espalhou para o meio intergaláctico circundante. Devido à densidade mais baixa, que a galáxia satélite experimenta menos ventos contrários, menos pressão ram, e, portanto, é menos provável que seu gás seja eliminado.

Então, tudo se resume às estatísticas. Para galáxias satélites que orbitaram as mesmas galáxias centrais várias vezes, atravessando bolhas, mas também as regiões de alta densidade intermediárias, o efeito não será perceptível. Essas galáxias terão perdido seu gás há muito tempo.

Mas para as galáxias satélites que se juntaram ao grupo, ou cluster, bastante recentemente, a localização fará a diferença:se esses satélites pousarem em uma bolha primeiro, eles têm menos probabilidade de perder gás do que se pousarem fora de uma bolha. Este efeito pode ser responsável pela diferença estatística para as galáxias satélites extintas.

Com a excelente concordância entre as análises estatísticas de ambas as observações SDSS e as simulações IllustrisTNG, e com uma hipótese plausível para um mecanismo, este é um resultado altamente promissor. No contexto da evolução da galáxia, é particularmente interessante porque confirma, indiretamente, o papel dos núcleos galácticos ativos não apenas aquecendo o gás intergaláctico, mas ativamente "afastando-o", para criar regiões de baixa densidade. E como acontece com todos os resultados promissores, agora há uma série de direções naturais que tanto Martín-Navarro, Pillepich e seus colegas ou outros cientistas podem levar para explorar mais.