Исследователи создали лучшее на сегодняшний день моделирование роста сверхмассивных черных дыр в центрах галактик, объединив рентгеновские наблюдения с самых мощных рентгеновских установок, когда-либо отправленных в космос, с суперкомпьютерным моделированием формирования галактик на протяжении всей космической истории. Слева — изображение, объединяющее рентгеновские наблюдения (синий) и оптические наблюдения (красный, зеленый и синий), а справа — смоделированная плотность газового столба, полученная из космологического моделирования с помощью IllustrisTNG. Наблюдаемое рентгеновское излучение возникает в основном в результате аккреции сверхмассивных черных дыр, как показано на иллюстрации художника (вставка). Кажется, что длина короткой стороны иллюстрации соответствует размеру полной луны на небе. Фото предоставлено: Ф. Цзоу (штат Пенсильвания) и др.; Наблюдения: сотрудничество XMM-SERVS; Моделирование: сотрудничество TNG; Иллюстрация: Накс ТрЭнл (штат Пенсильвания)
Объединив передовые рентгеновские наблюдения с передовым суперкомпьютерным моделированием формирования галактик на протяжении всей космической истории, исследователи создали лучшее на сегодняшний день моделирование роста сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Используя этот гибридный подход, исследовательская группа под руководством астрономов штата Пенсильвания создала полную картину роста черной дыры за 12 миллиардов лет, от зарождения Вселенной (около 1,8 миллиарда лет) до настоящего времени (13,8 миллиарда лет).
Результаты исследования обобщены в двух статьях, одна из которых опубликована в Astrophysical Journal, другая пока не опубликована и представлена в тот же журнал. Результаты будут представлены на 244-м заседании Американского астрономического общества, которое пройдет 9-13 июня в конференц-центре Monona Terrace в Мэдисоне, штат Висконсин.
«Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик имеют массу от миллионов до миллиардов раз больше Солнца», — сказал Фань Цзоу, аспирант Университета штата Пенсильвания и ведущий автор исследования. «Как они стали такими монстрами? Астрономы изучали этот вопрос на протяжении десятилетий, но было трудно проследить все способы, которыми черные дыры могут надежно расти».
Сверхмассивные черные дыры растут по двум основным каналам. Они поглощают холодный газ из своей родительской галактики (процесс, называемый аккрецией) и могут сливаться с другими сверхмассивными черными дырами при столкновении галактик.
«Потребляя газ из своих галактик, черные дыры испускают мощные рентгеновские лучи, и это ключ к отслеживанию их роста посредством аккреции», — сказал В. Нил Брандт, профессор астрономии и астрофизики семьи Эберли и профессор физики в Пенсильванском университете. и руководитель исследовательской группы. «Мы измерили рост, вызванный аккрецией, используя данные рентгеновских исследований неба, собранные за более чем 20 лет тремя самыми мощными рентгеновскими установками, когда-либо запущенными».
Исследовательская группа использовала дополнительные данные НАСА «Чандра». В целом они измерили рост, вызванный аккрецией, в выборке из 1,3 миллиона галактик, содержащей более 8000 быстрорастущих черных дыр.
«Все галактики и черные дыры в нашей выборке очень хорошо характеризуются на разных длинах волн, с отличными измерениями в инфракрасном, оптическом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах», — сказал Цзоу. «Это позволяет сделать надежные выводы, и данные показывают, что во все космические эпохи в более массивных галактиках черные дыры росли быстрее за счет аккреции. Качество данных позволило нам количественно оценить это важное явление гораздо лучше, чем в предыдущей работе».
Второй способ роста сверхмассивных черных дыр — это слияние, при котором две сверхмассивные черные дыры сталкиваются и сливаются, образуя одну, еще более массивную черную дыру. Чтобы отслеживать рост слияний, команда использовала IllustrisTNG — серию суперкомпьютерных симуляций, которые моделируют формирование, эволюцию и слияния галактик начиная с периода сразу после Большого взрыва и до наших дней.
«В нашем гибридном подходе мы объединяем наблюдаемый рост аккреции с моделируемым ростом слияний, чтобы воспроизвести историю роста сверхмассивных черных дыр», — сказал Брандт. «Мы считаем, что с помощью этого нового подхода мы создали наиболее реалистичную на сегодняшний день картину роста сверхмассивных черных дыр».
Исследователи обнаружили, что в большинстве случаев аккреция доминировала над ростом черной дыры. Слияния внесли заметный вторичный вклад, особенно в течение последних 5 миллиардов лет космического времени для самых массивных черных дыр. В целом, когда Вселенная была моложе, сверхмассивные черные дыры всех масс росли гораздо быстрее. По этой причине общее количество сверхмассивных черных дыр было почти постоянным 7 миллиардов лет назад, в то время как многие новые продолжали формироваться на более ранних стадиях существования Вселенной.
«Наш подход позволяет нам проследить, как центральные черные дыры в локальной вселенной, скорее всего, выросли за космическое время», — сказал Цзоу. «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 в космическом времени. «
Помимо Цзоу и Брандта, в исследовательскую группу входят Жибо Ю, аспирант Пенсильванского университета; Хён Сук Так, доцент кафедры статистики, астрономии и астрофизики Пенсильванского университета; Елена Галло из Мичиганского университета; Бин Луо из Нанкинского университета в Китае; Цинглинг Ни из Института внеземной физики Макса Планка в Германии; Юнцюань Сюэ из Университета науки и технологий Китая; и Гуанг Ян из Гронингенского университета в Нидерландах.
Информация от: Университетом штата Пенсильвания.
