Большинство синих точек на этом снимке неба представляют собой аккрецирующиеся сверхмассивные черные дыры, испускающие мощные рентгеновские лучи. Фото предоставлено: Фан Цзоу (штат Пенсильвания) и сотрудничество XMM-SERVS
Черные дыры — замечательные астрономические объекты с настолько сильной гравитацией, что ничто, даже свет, не может ускользнуть от них. Самые гигантские, так называемые «сверхмассивные» черные дыры, могут весить в миллионы и миллиарды раз больше массы Солнца.
Эти гиганты обычно живут в центрах галактик. Наша собственная галактика, Млечный Путь, также содержит в своем сердце сверхмассивную черную дыру.
Так как же эти сверхмассивные черные дыры становятся сверхмассивными? Чтобы ответить на этот вопрос, наша команда астрофизиков обратилась к 13,8-миллиардной истории Вселенной, чтобы проследить, как сверхмассивные черные дыры росли с самого начала до наших дней.
Мы создали модель всей истории роста сверхмассивных черных дыр за последние 12 миллиардов лет.
Как растут сверхмассивные черные дыры?
Сверхмассивные черные дыры растут двумя основными способами. Они могут поглощать газ из родительских галактик в процессе, называемом аккрецией, а также могут сливаться друг с другом при столкновении двух галактик.
Когда сверхмассивные черные дыры поглощают газ, они почти всегда испускают мощные рентгеновские лучи — тип высокоэнергетического света, невидимого невооруженным глазом. Вы, наверное, слышали о рентгеновских лучах у стоматолога, где их иногда используют для осмотра зубов. Рентгеновские лучи, используемые астрономами, обычно имеют более низкую энергию, чем медицинские рентгеновские лучи.
Так как же может свет, даже невидимые рентгеновские лучи, вырваться из черных дыр? Строго говоря, свет исходит не от самих черных дыр, а от газа непосредственно за ними. Когда газ притягивается к черной дыре, он нагревается и светится, излучая свет, подобный рентгеновским лучам. Чем больше газа потребляет сверхмассивная черная дыра, тем больше рентгеновских лучей она производит.
Благодаря данным, собранным за более чем 20 лет тремя самыми мощными из когда-либо запущенных рентгеновских установок — «Чандра», XMM-Ньютон и eROSITA — астрономы могут обнаружить рентгеновские лучи от большого количества аккрецирующих сверхмассивных черных дыр во Вселенной.
Используя эти данные, наша исследовательская группа может оценить, насколько быстро растут сверхмассивные черные дыры, потребляя газ. В среднем сверхмассивная черная дыра может потреблять столько газа в год, что достигает массы Солнца. Точная стоимость зависит от различных факторов.
Например, данные показывают, что скорость роста черной дыры, усредненная за миллионы лет, тесно связана с массой всех звезд в ее родительской галактике.
Впечатление художника от аккрецирующей сверхмассивной черной дыры. Центральная черная дыра черная, в то время как окружающий ее газ нагревается и светится, излучая свет. Накс Тр'Энл. Фото предоставлено: Пенсильванский университет
Как часто сливаются сверхмассивные черные дыры?
Помимо питания газом, сверхмассивные черные дыры могут также расти за счет слияния, когда галактики сталкиваются, образуя одну, более массивную черную дыру.
Космологическое моделирование на суперкомпьютерах может примерно предсказать, как часто будут происходить эти события. Целью этих симуляций является моделирование того, как Вселенная растет и развивается с течением времени. Бесчисленные галактики, летящие в космосе, подобны строительным блокам, из которых состоит Вселенная.
Эти симуляции показывают, что галактики и сверхмассивные черные дыры, в которых они находятся, могут сливаться несколько раз на протяжении всей космической истории.
Наша команда отследила эти два канала роста — потребление газа и слияния — с помощью рентгеновских лучей и суперкомпьютерного моделирования, а затем объединила их, чтобы создать общую историю роста, которая отображает рост черных дыр во Вселенной на протяжении миллиардов лет.
Наша история роста показала, что сверхмассивные черные дыры росли гораздо быстрее миллиарды лет назад, когда Вселенная была моложе.
В первые дни Вселенная содержала больше газа, который могли поглотить сверхмассивные черные дыры, и сверхмассивные черные дыры продолжали формироваться. По мере старения Вселенной газ постепенно истощался, а рост сверхмассивных черных дыр замедлялся. Около 8 миллиардов лет назад количество сверхмассивных черных дыр стабилизировалось. С тех пор она не сильно набрала вес.
Если газа недостаточно для роста сверхмассивных черных дыр за счет аккреции, единственный способ их увеличения — это слияния. За всю историю нашего роста мы видели не так уж много подобных случаев. В среднем самые массивные черные дыры могут накапливать массу, эквивалентную массе Солнца, каждые несколько десятилетий путем слияния.
я в предвкушении
Это исследование помогло нам понять, как более 90% массы черных дыр накопилось за последние 12 миллиардов лет.
Однако нам все еще нужно изучить, как они росли в ранней Вселенной, чтобы объяснить оставшиеся несколько процентов массы черных дыр. Астрономическое сообщество добилось начального прогресса в изучении этих ранних сверхмассивных черных дыр, и мы надеемся вскоре найти больше ответов.
Информация от: Разговором
