Przepis na rosnące czarne dziury w małych galaktykach

Galaktyki karłowate, o masie mniejszej niż 10 mld mas Słońca (M☉), posiadają w swoich centrach masywne czarne dziury. W przeciwieństwie do centralnych czarnych dziur w bardziej masywnych galaktykach, te w galaktykach karłowatych mogą nie być jeszcze supermasywne. Stwarza to okazję do badania odpowiedników „nasion” supermasywnych czarnych dziur (SMBH), dając nam wgląd w proces wzrostu SMBH – proces, który nie jest jeszcze do końca poznany.

Wizja artystyczna czarnej dziury w galaktyce karłowatej M60-UCD1.
Źródło: NASA, ESA, D. Coe, G. Bacon (STScI)

Galaktyki aktywne (AGN) zawdzięczają swoją nazwę aktywnej akrecji supermasywnych czarnych dziur, które je zasilają, ale nie wszystkie SMBH są „aktywne”. Niektóre, takie jak ta w naszej własnej Galaktyce, są nieaktywne. Co powoduje, że AGN wyłączają się lub włączają, jest wciąż tajemnicą, ale nie da się ukryć, że ich aktywność ułatwia obserwacje. W galaktykach karłowatych jest to szczególnie przydatne, ponieważ ich centralne czarne dziury są zwykle mniejsze, a zatem trudniejsze do wykrycia, dlatego wiele obserwacji masywnych czarnych dziur w galaktykach karłowatych dotyczy AGN o niskiej masie. Oznacza to, że obecne obserwacje mające na celu uzyskanie ułamka zajęcia – ułamka galaktyk karłowatych, które posiadają masywne czarne dziury, aktywne lub nieaktywne – mogą w rzeczywistości mierzyć tylko ułamek galaktyk karłowatych z aktywnymi masywnymi czarnymi dziurami.

Autorzy pracy opracowali model teoretyczny do przewidywania ułamka galaktyk karłowatych, które zawierają aktywne masywne czarne dziury (103 M☉ < M < 107 M☉), w oparciu o własności galaktyk i ograniczenia obserwacyjne. W modelu tym ułamek aktywnych czarnych dziur zależy od gęstości gazu w galaktyce i dostępnego momentu pędu w jej centrum. Jednak te dwa parametry niekoniecznie są dostępne na podstawie obserwacji, więc autorzy pracy używają przybliżonych wartości. Masa gwiazdowa (masa galaktyki pochodząca od gwiazd) jest wykorzystywana jako przybliżenie gęstości liczbowej gazu. Zamiast momentu pędu autorzy używają wsparcia rotacyjnego, wielkości wyznaczonej z prędkości rotacji i dyspersji prędkości gazu i gwiazd. W analizie, czarna dziura jest uważana za aktywną, jeżeli spełnia kryteria wydajnej akrecji.

Wiązanie modelu fizycznego
Akreujące czarne dziury emitują promieniowanie w całym spektrum elektromagnetycznym, dlatego zostały wykryte w galaktykach karłowatych na wielu różnych długościach fal. Jedne z najobszerniejszych badań zostały wykonane na długościach fal promieniowania rentgenowskiego, obejmując zarówno szerokie przeglądy (które obejmują wiele obiektów), jak i głębokie (które widzą słabe obiekty). Dane te dostarczają cennych ograniczeń dla teoretycznego modelu autorów pracy. Używają oni obserwacji rentgenowskich do określenia emisji pochodzących z formowania się gwiazd oraz tego, czy AGN mają grubość Comptona, czy też są otoczone przez wystarczającą ilość wodoru, aby pochłonąć większość emitowanego promieniowania X. Czynniki te wpływają na wykrywalność AGN w obserwacjach, przyćmiewając lub przysłaniając (odpowiednio) emisję rentgenowską AGN. Dostosowując parametry modelu, autorzy dopasowują wyliczoną przez siebie część aktywnych masywnych czarnych dziur z wykrywalną emisją rentgenowską do tego, co faktycznie obserwujemy.

Autorzy badają wpływ metaliczności galaktyk na przewidywalną część aktywną. Metaliczność odnosi się do typów pierwiastków, które są obecne w gazie: jeżeli w gazie znajduje się głównie wodór i tylko niewielkie ilości pierwiastków masywniejszych od helu – co astronomowie nazywają metalami – mamy niską metaliczność. Gaz o niższej metaliczności prowadzi do bardziej aktywnego tworzenia się gwiazd, które produkują duże ilości promieniowania X mogącego wyprzeć emisję rentgenowską z aktywnej masywnej czarnej dziury. Uwzględniając efekty niskiej metaliczności, obliczona część aktywna może być wyższa dla tego modelu do 30% dla najbardziej masywnych galaktyk karłowatych.

Galaktyki karłowate pozwalają nam badać możliwe zalążki wzrostu supermasywnych czarnych dziur, co jest niezbędne do zrozumienia wzrostu czarnych dziur i ewolucji galaktyk. Jednym ze sposobów sprawdzenia, czy nasze modele wzrostu czarnych dziur są poprawne, jest sprawdzenie, czy przewidywana część aktywnych masywnych czarnych dziur w galaktykach zgadza się z obserwacjami. Modele takie jak ten mogą być przydatne do porównania z wynikami z przyszłych obserwatoriów, takich jak JWST i Athena (Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics), które mogą zaobserwować zalążki supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Popularne posty z tego bloga

Czarna dziura wyrzuca gwiezdne szczątki

Astronomowie potwierdzają istnienie kosmicznej super-pustki, która podważa nasze rozumienie ciemnej energii

Astronomowie są świadkami, jak umierająca gwiazda osiąga swój koniec