Моделирование отслеживает рост чёрных дыр на протяжении 12 млрд лет

Исследователи обеспечили лучшее на сегодняшний день моделирование роста сверхмассивных черных дыр, обнаруженных в центрах галактик, объединив рентгеновские наблюдения с самых мощных рентгеновских установок, когда-либо запускавшихся в космос, с суперкомпьютерным моделированием наращивания галактик на космических объектах. история. Слева — изображение, сочетающее рентгеновские (синие) и оптические (красный, зеленый и синий) наблюдения, а справа — плотность газового столба, смоделированная на основе космологического моделирования с использованием IllustrisTNG. Наблюдаемое рентгеновское излучение в основном связано с аккрецией сверхмассивных черных дыр, как показано на иллюстрации художника (вставка). Длина короткой стороны фигуры соответствует видимому размеру полной Луны на небе. Автор: F. Zou (Penn State) et al.; Observations: The XMM-SERVS Collaboration; Simulations: The TNG Collaboration;Illustration: Nahks TrEhnl (Penn State)

Объединив передовые рентгеновские наблюдения с современным суперкомпьютерным моделированием формирования галактик на протяжении космической истории, исследователи предоставили лучшее на сегодняшний день моделирование роста сверхмассивных черных дыр, обнаруженных в центрах галактик. Используя этот гибридный подход, исследовательская группа под руководством астрономов штата Пенсильвания получила полную картину роста черной дыры за 12 миллиардов лет, от зарождения Вселенной (около 1,8 миллиарда лет) до сегодняшнего дня, 13,8 миллиарда лет.

Исследование включает в себя две статьи: одна опубликована в Астрофизическом журнале, а другая еще не опубликована и будет представлена в тот же журнал. Результаты будут представлены на 244-м собрании Американского астрономического общества, которое пройдет с 9 по 13 июня в конференц-центре Monona Terrace в Мэдисоне, штат Висконсин.

Сверхмассивные черные дыры растут по двум основным каналам. Они потребляют холодный газ из своей родительской галактики (процесс, называемый аккрецией) и могут сливаться с другими сверхмассивными черными дырами при столкновении галактик.

«В процессе поглощения газа из принимающих их галактик черные дыры излучают сильные рентгеновские лучи, и это ключ к отслеживанию их роста путем аккреции», — сказал В. Нил Брандт, профессор астрономии и астрофизики на кафедре семьи Эберли и профессор физик в Пенсильванском университете и руководитель исследовательской группы. «Мы измерили рост, вызванный аккрецией, используя данные рентгеновского исследования неба, накопленные за более чем 20 лет с помощью трех самых мощных рентгеновских установок, когда-либо запускавшихся в космос».

Исследовательская группа использовала дополнительные данные рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра», рентгеновской многозеркальной миссии «Ньютон» Европейского космического агентства (XMM-Newton) и телескопа eROSITA Института внеземной физики Макса Планка. В общей сложности они измерили рост, вызванный аккрецией, в выборке из 1,3 миллиона галактик, содержащих более 8000 быстро растущих черных дыр.

«Все галактики и черные дыры в нашей выборке очень хорошо характеризуются на разных длинах волн, с превосходными измерениями в инфракрасном, оптическом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах», — сказал Цзоу. «Это позволяет сделать надежные выводы, и данные показывают, что во все космические эпохи более массивные галактики увеличивали свои черные дыры за счет аккреции быстрее. Благодаря качеству данных мы смогли количественно оценить это важное явление гораздо лучше, чем в прошлых работах.."

Второй способ роста сверхмассивных черных дыр — это слияние, когда две сверхмассивные черные дыры сталкиваются и сливаются вместе, образуя одну, еще более массивную черную дыру. Чтобы отслеживать рост за счет слияний, команда использовала IllustrisTNG — набор суперкомпьютерных моделей, которые моделируют формирование, эволюцию и слияние галактик вскоре после Большого взрыва и до настоящего времени.

«В нашем гибридном подходе мы объединяем наблюдаемый рост за счет аккреции с моделируемым ростом за счет слияний, чтобы воспроизвести историю роста сверхмассивных черных дыр», — сказал Брандт. «Мы считаем, что благодаря этому новому подходу мы создали наиболее реалистичную картину роста сверхмассивных черных дыр до сегодняшнего дня».

Исследователи обнаружили, что в большинстве случаев аккреция доминирует над ростом черной дыры. Слияния внесли заметный вторичный вклад, особенно за последние 5 миллиардов лет космического времени, для самых массивных черных дыр. В целом, когда Вселенная была моложе, сверхмассивные черные дыры всех масс росли гораздо быстрее. Из-за этого общее количество сверхмассивных черных дыр было практически исчерпано еще 7 миллиардов лет назад, в то время как раньше во Вселенной продолжало появляться множество новых.

«Благодаря нашему подходу мы можем отслеживать, как центральные черные дыры в локальной вселенной, скорее всего, росли за космическое время», — сказал Цзоу. «В качестве примера мы рассмотрели рост сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики Млечный Путь, 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; Хёнсук Так, доцент кафедры статистики, астрономии и астрофизики Пенсильванского университета; Елена Галло из Мичиганского университета; Бинь 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.

Больше информации: Fan Zou et al, Mapping the Growth of Supermassive Black Holes as a Function of Galaxy Stellar Mass and Redshift, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad27cc

Источник: Pennsylvania State University