W jaki sposób supermasywne czarne dziury stają się supermasywne?
Zespół naukowców przedstawił najlepsze jak dotąd modelowanie wzrostu supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w centrach galaktyk.
Po lewej stronie znajduje się zdjęcie łączące obserwacje rentgenowskie (niebieski) i optyczne (czerwony, zielony i niebieski), a po prawej stronie symulowana gęstość kolumny gazu na podstawie symulacji kosmologicznych przy użyciu IllustrisTNG. Źródło: F. Zou (Penn State) i współpracownicy; Obserwacje: Współpraca XMM-SERVS; Symulacje: współpraca TNG; ilustracja: Nahks TrEhnl (stan Penn)
Łącząc czołowe obserwacje rentgenowskie z najnowocześniejszymi symulacjami komputerowymi budowy galaktyk w historii kosmosu, naukowcy przedstawili najlepsze jak dotąd modelowanie wzrostu supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w centrach galaktyk. Korzystając z tego hybrydowego podejścia, zespół badawczy kierowany przez astronomów z Penn State University uzyskał pełny obraz wzrostu czarnych dziur na przestrzeni 12 miliardów lat, od czasu gdy Wszechświat miał około 1,8 miliarda lat do obecnego wieku 13,8 miliarda lat.
Badania obejmują dwa artykuły, jeden opublikowany w The Astrophysical Journal w kwietniu 2024 roku, a drugi jeszcze nieopublikowany, który zostanie przesłany do tego samego czasopisma.
Supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk mają masę od milionów do miliardów razy większą niż Słońce – powiedział Fan Zou, doktorant w Penn State i pierwszy autor publikacji. W jaki sposób stają się one takimi potworami? Jest to pytanie, które astronomowie badają od dziesięcioleci, ale trudno było wiarygodnie prześledzić wszystkie sposoby, w jakie czarne dziury mogą rosnąć.
Supermasywne czarne dziury rosną dzięki połączeniu dwóch głównych kanałów. Pochłaniają zimny gaz ze swojej galaktyki macierzystej – proces ten nazywany jest akrecją – i mogą łączyć się z innymi supermasywnymi czarnymi dziurami podczas zderzenia galaktyk.
Podczas procesu pochłaniania gazu z galaktyk, w których się znajdują, czarne dziury emitują silne promieniowanie rentgenowskie, co jest kluczem do śledzenia ich wzrostu poprzez akrecję – powiedział W. Niel Brandt, profesor fizyki w Penn State oraz lider zespołu badawczego. Zmierzyliśmy wzrost spowodowany akrecją przy użyciu danych z przeglądu nieba rentgenowskiego zgromadzonych przez ponad 20 lat z trzech najpotężniejszych urządzeń rentgenowskich, jakie kiedykolwiek wystrzelono w kosmos.
Zespół naukowców wykorzystał uzupełniające dane z Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra, teleskopu Multi-Mirror Mission-Newton (XMM-Newton) oraz eROSITA. W sumie zmierzyli oni wzrost spowodowany akrecją w próbce 1,3 miliarda galaktyk, które zawierały ponad 8000 szybko rosnących czarnych dziur.
Wszystkie galaktyki i czarne dziury w naszej próbie są bardzo dobrze scharakteryzowane na wielu długościach fal, z doskonałymi pomiarami w pasmach podczerwieni, optycznym, ultrafioletowym i rentgenowskim – powiedział Zou. Pozwala to na wyciągnięcie solidnych wniosków, a dane pokazują, że we wszystkich epokach kosmicznych bardziej masywne galaktyki szybciej powiększały swoje czarne dziury poprzez akrecję. Dzięki jakości danych byliśmy w stanie określić ilościowo to ważne zjawisko znacznie lepiej niż w poprzednich pracach.
Drugim sposobem wzrostu supermasywnych czarnych dziur jest fuzja, w której dwie supermasywne czarne dziury zderzają się i łączą, tworząc pojedynczą, jeszcze bardziej masywną czarną dziurę. Aby śledzić wzrost poprzez połączenie, zespół wykorzystał IllustrisTNG, zestaw symulacji superkomputerowych, które modelują powstawanie, ewolucję i łączenie się galaktyk od krótko po Wielkim Wybuchu do chwili obecnej.
W naszym hybrydowym podejściu łączymy obserwowany wzrost poprzez akrecję z symulowanym wzrostem poprzez fuzje, aby odtworzyć historię wzrostu supermasywnych czarnych dziur – powiedział Brandt. Wierzymy, że dzięki temu nowemu podejściu stworzyliśmy najbardziej realistyczny obraz wzrostu supermasywnych czarnych dziur do dnia dzisiejszego.
Naukowcy odkryli, że w większości przypadków akrecja zdominowała wzrost czarnych dziur. Fuzje miały drugorzędny, ale znaczący wpływ, szczególnie w ciągu ostatnich 5 miliardów lat kosmicznego czasu dla najbardziej masywnych czarnych dziur. Ogólnie rzecz biorąc, supermasywne czarne dziury o wszystkich masach rosły znacznie szybciej, gdy Wszechświat był młodszy. W związku z tym całkowita liczba supermasywnych czarnych dziur została prawie ustalona 7 miliardów lat temu, podczas gdy wcześniej we Wszechświecie wciąż pojawiało się wiele nowych.
Dzięki naszemu podejściu możemy prześledzić, jak centralne czarne dziury w lokalnym Wszechświecie najprawdopodobniej rosły w kosmicznym czasie – powiedział Zou. Jako przykład rozważaliśmy wzrost supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki, która ma masę 4 milionów mas Słońca. Nasze wyniki wskazują, że czarna dziura w Drodze Mlecznej najprawdopodobniej urosła stosunkowo późno w kosmicznym czasie.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
