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.
![Новое моделирование объясняет, как сверхмассивные черные дыры могли так быстро расти Иллюстрация активного квазара. Какую роль играет гало темной материи в активации квазара? Фото предоставлено: ESO/M. зерновой нож](/wp-content/uploads/2023/11/quasar-1024x607.jpg)
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».
![Новое моделирование объясняет, как сверхмассивные черные дыры могли так быстро расти Timeline 1024x576 - Новое моделирование объясняет, как сверхмассивные черные дыры могли так быстро расти](/wp-content/uploads/2024/05/Timeline-1024x576.jpg)
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.