The impact of supermassive black holes on star formation
Authors: Παπαχρήστου Μιχαήλ 
Published: March 2024

Όπως αποδεικνύεται από παρατηρησιακά δεδομένα ο ρυθμός παραγωγής αστέρων στο Σύμπαν μειώνεται κατα τη διάρκειατων τελευταίων 10 δισεκατομμυρίων ετων, μια μείωση που αποδίδεται στην ίδια τη δημιουργία των αστέρων και του μικρού ποσοστού αερίου που αυτά επιστρέφουν πίσω στο γαλαξιακό απόθεμα. Προσομοιώσεις εξέλιξης γαλαξιών, χρησιμοποιώντας τις παρατηρήσεις αυτές, αδυνατούν να αναπαράξουν τη σημερινή παρατηρούμενη κατανομή των γαλαξιακών μαζών κυρίως στη περιοχή των γαλαξιών μεγάλης μάζας χωρίς τη χρήση επιπλέον μηχανισμών αρνητικής επίδρασης (ανάδρασης) στο ρυθμό δημιουργίας αστέρων. Οι κύριοι μηχανισμοί που έχουν προταθεί βασίζονται στην ύπαρξη γαλαξιακών ανέμων οι οποίοι εμποδίζουν τη βαρυτική κατάρρευση του κρύου μοριακού αερίου και άρα τη δημιουργία αστέρων είτε λόγω θέρμανσης του είτε λόγω της εκτόξευσης του στο διαγαλαξιακό χώρο. Οι διαφορές μεταξύ των μηχανισμών έγκειται στη πηγή των ανέμων αυτών, η οποία μπορεί να είναι ένας αυξημένος ρυθμός εκρήξεων σουπερνόβα ή το αποτέλεσμα της δραστηριότητας υπερμαζικών μελανών οπών στα κέντρα των γαλαξιών. Σε αυτή την εργασία εστιάσαμε στη δυνατότητα του ενεργού πυρήνα των ενεργών γαλαξιών στο να εναποθέτουν ενέργεια στο μεσοαστρικό περιβάλλον και πιο συγκεκριμένα στη σημαντικότητα των σχετικιστικών πιδάκων. Η απόδοση του μηχανισμού αυτού υποστηρίζεται από υδροδυναμικές προσομοιώσεις και πλήθος παρατηρήσεων στο κοντινό Σύμπαν. Για τη πλήρη διερεύνηση του φαινομένου χρειαζόμαστε ένα δείγμα γαλαξιών οι οποίοι διαθέτουν ενεργό πίδακα και έχουν δυνάμει παρατηρήσεις μοριακού αερίου. Έτσι κατασκευάσαμε και αναλύσαμε ένα δείγμα 120 ράδιο-γαλαξίων επιλεγμένων σε όλο το εύρος της κοσμικής ιστορίας. Οι πηγές αυτές έχουν παρατηρηθεί στο μικροκυματικό εύρος του φάσματος όπου εντοπίζονται οι 4 λαμπρότερες γραμμές εκπομπής του μονοξειδίου του άνθρακα, ενός μορίου που εκπέμπει σε συνθήκες που είναι ευνοϊκές για τη δημιουργία αστέρων (πυκνό, ψυχρό αέριο). Για όλες τις πηγές η ραδιοφωνική εκπομπή οφείλεται στον σχετικιστικό πίδακα από το ενεργό κέντρο του γαλαξία. Για την επιλογή του δείγματος αναπτύξαμε μια νέα στατιστική μεθοδολογία ώστε το τελικό δείγμα να είναι αντιπροσωπευτικό του ουρανού στο ραδιοφωνικό εύρος του φάσματος, οπού έχουμε ισχυρή εκπομπή των γαλαξιών αυτών, συγκρίνοντας την αντίστοιχη ροή ακτινοβολίας των πηγών μας με συνοπτικούς καταλόγους όλου του ουρανού. Συνολικά εντοπίστηκε μοριακό αέριο στο 35% των πηγών, με συνολικές μάζες του αερίου να κυμαίνονται από 1e7 εως 7e10 και 2e10 εως 7e11 ηλιακές μάζες για το κοντινό και μακρινό σύμπαν αντίστοιχα. Για το κοντινό σύμπαν ο αριθμός των πηγών όπου εντοπίζεται μοριακό αέριο είναι συνεπής σε σύγκριση με άλλου τύπου ενεργούς γαλαξίες (AGN τύπου 1 και 2) κάτι το οποίο συμφωνεί και με τις προβλέψεις των προσομοιώσεων. Ταυτόχρονα ο αριθμός των ραδιογαλαξίων οι οποίοι κατέχουν μεγάλες μάζες μοριακού αερίου (>1e10 ηλιακές μάζες) δεν ήταν σημαντικά χαμηλότερος από τους ενεργούς γαλαξίες με αστρική δημιουργία, υποδεικνύοντας ότι μπορουν να υποστηρίξουν διαδικασίες δημιουργίας αστέρων. Σε σύγκριση με τις ημι-εμπειρικές προβλέψεις για τυπικούς γαλαξίες οι ραδιο-γαλαξίες του δείγματος μας έχουν 1 με 2 τάξεις μεγέθους λιγότερη συνολική μάζα του μοριακού αερίου. Η διαφορά αυτή μειώνεται καθώς κοιτάμε σε μεγαλύτερα redshift. Η τάση αυτή συνεχίζεται ώστε στα μεγαλύτερα redshift η ποσότητα του μοριακού αερίου, στις πηγές όπου αυτό εντοπίζεται, να είναι σημαντικά μεγαλύτερη από τις προβλεπόμενες τιμές. Η παρατήρηση αυτή συνδράμει στην δυνατότητα που έχουν οι πίδακες να αποτελούν εξαιρετικά σημαντικός μηχανισμός στο φαινόμενο ανάδρασης και άρα στην εξέλιξη των γαλαξιών συνολικότερα.Ένας δεύτερος στόχος της παραπάνω εργασίας ήταν ο απευθείας εντοπισμός μοριακών εκροών. Συνολικά από τις 120 πήγες εντοπίσαμε νέες μοριακές εκροές σε δύο πηγές. Στο δεύτερο μέρος αυτής της διατριβής επικεντρωθήκαμε στην λεπτομερή ανάλυση των κινηματικών ιδιοτήτων ενός εκ των δύο, του ελλειπτικου ραδιογαλαξία NGC6328. Οι παρατηρήσεις του μοριακού αερίου στις γραμμές CO(2-1) και CO(3-2) αποκάλυψαν μια εξαιρετικά πολύπλοκη γεωμετρία με ισχυρές κινηματικές ανισοτροπίες. Καθώς κανένα εργαλείο από όσα χρησιμοποιούνται ευρέως στην βιβλιογραφία δεν μπορούσε να αποδώσει ικανοποιητική ανάλυση και ερμηνεία των αποτελεσμάτων, κάτι το οποίο κρίνεται σημαντικό ώστε να αποδοθεί λεπτομερώς το εύρος και η ροή μάζας των μοριακών εκροών, αναπτύξαμε ένα νέο μοντέλο δίσκου και ενα εργαλείο ώστε αυτό να μπορεί να συγκριθεί με τις παρατηρήσεις. Το μοντέλο εξετάζει την εξέλιξη της γεωμετρίας ενος δίσκου ύπο τις ροπές ενος μη συμμετρικού βαρυτικού δυναμικού και τις εσωτερικές ροπές λόγω τριβών μεταξύ γειτονικών “δαχτυλιδιών” του δίσκου. Η διαδικασία αυτή προσομοιώνει ένα δίσκο ο οποίος βρίσκεται αρχικά υπο γωνία σε σχέση με τους άξονες συμμετρίας του βαρυτικού δυναμικού, λόγω ενός επεισοδίου γαλαξιακής συγχώνευσης, και λόγω των ροπών που δέχεται, σχηματίζει μια δομή στρεβλού δίσκου. Η σύγκριση με τα δεδομένα, ώστε να εκτιμηθούν οι τελικές παράμετροι του μοντέλου, έγινε μέσω της Bayesian στοχαστικής διαδικασίας Markov Chain Monte Carlo, η οποία μας έδωσε τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε πρωθύστερες πληροφορίες σχετικα με τις παραμέτρους, να χρησιμοποιήσουμε περισσότερα και διαφορετικά δεδομένα (ταχύτητες του ουδέτερου Υδρογόνου, φωτομετρία του βαρυτικού δυναμικού, κατανομή της σκόνης κλπ) αλλά και να εκτιμηθούν ακριβέστερα οι στατιστικές κατανομές των τελικών τιμών των παραμέτρων. Το αποτέλεσμα της διαδικασίας αποδεικνύει ότι ο δίσκος του μοριακού αερίου προερχεται απο μια συγχώνευση που ξεκίνησε πριν από 400-800 εκατομμύρια έτη. Στα 200 pc από το κέντρο του γαλαξία εντοπίστηκαν δύο μοριακές εκροές, οι οποίες επικυρώθηκαν από παρατηρήσεις ιονισμένου και θερμου αερίου αλλά και μέσω της διέγερσης του μοριακού αερίου στα σημεία αυτά. Οι εκροές μεταφέρουν συνολική μάζα 3 ηλιακών μαζών ανα έτος, μια τιμή η οποία ξεπερνά το ρυθμό δημιουργίας αστέρων σε ολόκληρο το γαλαξία (λιγότερο από 1 ηλιακή μάζα ανα έτος). Η συνολική κινητική ενέργεια (2-7e40 erg/s) υποδηλώνει ότι ο κύριος μηχανισμος επιτάχυνσης είναι ο πίδακας, κάτι που φαίνεται να επιβεβαιώνεται και από την κατανομή και κατεύθυνση των εκροών. Καθώς το παρατηρούμενο εύρος του πίδακα είναι αρκετά μικρότερο (2 pc) το αποτέλεσμα αυτό τοποθετεί τον NGC6328 στη συνεχώς διευρούμενη λίστα πηγών όπου η αποδεδειγμένη αιτία μοριακών εκροών είναι ο πίδακας χωρίς αυτός να εντοπίζεται στο εύρος των εκροών. Με κίνητρο αυτή την παρατήρηση, στο τρίτο και τελευταίο μέρος της διατριβής, εξετάσαμε την πιθανότητα να έχει υπο-εκτιμηθεί η συσχέτιση των πιδάκων με καταγεγραμμένες μοριακές εκροές στη βιβλιογραφία. Έτσι, πραγματοποιήσαμε μια μετα-ανάλυση που περιλάμβανε ένα δείγμα 45 τοπικών γαλαξιών με ανιχνευμένες μοριακές εκροές. Η ανάλυσή μας αποκάλυψε ότι, για τουλάχιστον το ήμισυ του δείγματος, οι πίδακες ευθυγραμμίζονται τόσο ενεργειακά όσο και γεωμετρικά με τις παρατηρούμενες εκροές, τοποθετώντας τους σαν έναν σημαντικό ή και κυρίαρχο μηχανισμό επιτάχυνσης.