Zespół naukowców przedstawił najlepsze jak dotąd modelowanie wzrostu supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w centrach galaktyk.
Łącząc obserwacje rentgenowskie z najnowocześniejszymi symulacjami komputerowymi budowy galaktyk, naukowcy przedstawili najlepsze jak dotąd modelowanie wzrostu supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w ich centrach. Korzystając z tego hybrydowego podejścia, zespół badawczy kierowany przez astronomów z Uniwersytetu Pensylwanii (Penn State) 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).
Wyniki opisano w dwóch artykułach – jednym opublikowanym w „The Astrophysical Journal„” w kwietniu 2024 roku, a drugim jeszcze nieopublikowanym, 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? Astronomowie badają to od dziesięcioleci, ale trudno było wiarygodnie prześledzić wszystkie sposoby, w jakie czarne dziury mogą rosnąć.
Supermasywne czarne dziury rosną na dwa sposoby: pochłaniają zimny gaz ze swojej galaktyki macierzystej – proces ten nazywany jest akrecją – a także 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 za pomocą 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 instrumentu eROSITA. W sumie zmierzyli oni wzrost spowodowany akrecją w próbce 1,3 miliarda galaktyk, które zawierały ponad 8 tysięcy 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 badaniach.
Drugim sposobem wzrostu supermasywnych czarnych dziur jest fuzja, w której dwie supermasywne czarne dziury zderzają się i łączą, tworząc pojedynczą, jeszcze większą 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 jak dotąd realistyczny obraz wzrostu supermasywnych czarnych dziur.
Naukowcy odkryli, że w większości przypadków akrecja zdominowała wzrost czarnych dziur. Fuzje miały drugorzędny, ale znaczący wpływ, szczególnie dla najbardziej masywnych czarnych dziur w ciągu ostatnich pięciu miliardów lat kosmicznego czasu. 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 siedem miliardów lat temu, podczas gdy wcześniej we Wszechświecie wciąż pojawiało się wiele nowych.
Dzięki temu 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 czterech milionów mas Słońca. Nasze wyniki wskazują, że czarna dziura w Drodze Mlecznej najprawdopodobniej urosła stosunkowo późno.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Combined X-ray surveys and supercomputer simulations track 12 billion years of cosmic black-hole growth
- Mapping the Growth of Supermassive Black Holes as a Function of Galaxy Stellar Mass and Redshift
Źródło: PSU
Na ilustracji: 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)
