Одна из наиболее важных научных целей обсерваторий нового поколения (таких как Космический телескоп Джеймса Уэбба) было наблюдением первых галактик во Вселенной — тех, что существовали на заре космического пространства. За это время первые звезды, галактики и черные дыры в нашей Вселенной сформировались примерно через 50–1 миллиард лет после Большого взрыва. Изучая, как эти галактики формировались и развивались в самые ранние космологические периоды, астрономы получат полную картину того, как Вселенная менялась с течением времени.
Как обсуждалось в предыдущих статьях, результаты УэббНаблюдения с самых дальних расстояний преподнесли некоторые сюрпризы. Помимо открытия того, что галактики быстро формировались в ранней Вселенной, астрономы также обнаружили, что в центрах этих галактик были особенно массивные сверхмассивные черные дыры (СМЧД). Это особенно сбивало с толку, поскольку, согласно традиционным моделям, эти галактики и черные дыры не успели сформироваться. В недавнем исследовании группа астрономов из Пенсильванского университета разработала модель, которая могла бы объяснить, почему СМЧД так быстро росли в ранней Вселенной.
Исследовательскую группу возглавил В. Нил Брандт, профессор астрономии и астрофизики на кафедре семьи Эберли в Научном колледже Эберли штата Пенсильвания. Их исследование описано в двух статьях, представленных на 244-м собрании Американского астрономического общества (AAS224), проходившем 9-13 июня в Мэдисоне, штат Висконсин. Их первая статья «Картирование роста сверхмассивных черных дыр как функция звездной массы галактики и красного смещения» появилась 29 марта в журнале Астрофизический журнала второй все еще ожидает релиза. Фань Цзоу, аспирант колледжа Эберли, был ведущим автором обеих статей.
Как они отмечают в своих статьях, СМЧД растут преимущественно по двум каналам: за счет накопления холодного газа из родительской галактики или за счет слияния с СМЧД из других галактик. Что касается аккреции, предыдущие исследования показали, что скорость аккреции черной дыры (BHAR) тесно связана со звездной массой ее галактики и красным смещением ее общего населения звезд. «Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик имеют массу от миллионов до миллиардов раз больше Солнца», — объяснил Чжоу в недавнем пресс-релизе НАСА. Как они стали такими монстрами? Астрономы изучали этот вопрос на протяжении десятилетий, но было трудно проследить все способы, которыми черные дыры могут надежно расти».
В своем исследовании команда опиралась на данные современных рентгеновских исследований неба, проведенных Институтом внеземной физики Чандра НАСА. Они измерили рост, связанный с аккрецией, на выборке из 8000 активных галактических ядер (АЯГ) в 1,3 миллиона галактик. Это было объединено с IllustrisTNG, серией современных космологических симуляций, которые моделируют формирование, эволюцию и слияние галактик от космического рассвета до наших дней. Этот комбинированный подход обеспечил лучшее на сегодняшний день моделирование роста СМЧД за последние 12 миллиардов лет. Брандт сказал:
«Потребляя газ из своих галактик, черные дыры испускают мощные рентгеновские лучи, и это является ключом к отслеживанию их роста посредством аккреции. Мы измерили рост, вызванный аккрецией, используя данные рентгеновских исследований неба, собранные за более чем 20 лет тремя самыми мощными рентгеновскими установками, когда-либо запускавшимися в космос.
«В нашем гибридном подходе мы объединяем наблюдаемый рост аккреции с моделируемым ростом слияний, чтобы воспроизвести историю роста сверхмассивных черных дыр. Мы считаем, что благодаря этому новому подходу мы создали наиболее реалистичную на сегодняшний день картину роста сверхмассивных черных дыр».
Их результаты показывают, что СМЧД всех масс росли гораздо быстрее, когда Вселенная была моложе, и что аккреция в большинстве случаев была основным фактором роста черных дыр. Они также обнаружили, что слияния внесли заметный вторичный вклад, особенно крупнейших СМЧД за последние 5 миллиардов лет. Это говорит о том, что новые сверхмассивные черные дыры продолжали формироваться в ранней Вселенной, но процесс формирования был почти завершен около 7 миллиардов лет назад. Цзоу заключил:
«Наш подход позволяет нам проследить, как центральные черные дыры в локальной вселенной, скорее всего, выросли за космическое время. В качестве примера мы рассмотрели рост сверхмассивной черной дыры в центре нашего Млечного Пути, масса которой составляет 4 миллиона солнечных масс. Наши результаты показывают, что черная дыра в нашей галактике, скорее всего, выросла относительно поздно по космическому времени».
Помимо Цзоу и Брандта, в международную команду входили исследователи из Института гравитации и космоса, а также факультетов физики, статистики, астрономии и астрофизики штата Пенсильвания. Среди других членов команды были исследователи из Мичиганского университета, Нанкинского университета в Китае, Университета науки и технологий Китая, Института внеземной физики Макса Планка и Гронингенского университета в Нидерландах.
Дополнительная литература: Рентгеновская обсерватория Чандра, Астрофизический журнал.
