Комбинированные рентгеновские исследования и суперкомпьютерное моделирование отслеживают рост космических черных дыр на протяжении 12 миллиардов лет.

Важные новости

Комбинированный рентген исследования и суперкомпьютерное моделирование отслеживают 12 миллиардов лет роста космических черных дыр

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. Фото: Ф. Цзоу (штат Пенсильвания) и др.; Наблюдения: сотрудничество XMM-SERVS; Моделирование: сотрудничество ПНП; Иллюстрация: Накс ТрЭнл (штат Пенсильвания)

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 на протяжении 12 миллиардов лет: с момента зарождения Вселенной (около 1,8 миллиарда лет) до нынешнего возраста 13,8 миллиарда лет.

Исследование включает две статьи, одна из которых опубликована в The Astrophysical Journal, и еще один, пока неопубликованный, который будет отправлен в тот же журнал. Результаты будут представлены на 244-м заседании Американского астрономического общества, которое пройдет с 9 по 13 июня в конференц-центре Monona Terrace в Мэдисоне, штат Висконсин.

«Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик имеют массу в миллионы-миллиарды раз больше массы Солнца», — сказал Фань Цзоу, аспирант Университета штата Пенсильвания и первый автор статей. «Как они становятся такими монстрами? Это вопрос, который астрономы изучают уже несколько десятилетий, но было трудно надежно отследить все способы, которыми черные дыры могут расти».

Сверхмассивные черные дыры растут по двум основным каналам. Они поглощают 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 намного лучше, чем в прошлых работах. .»

Второй способ роста сверхмассивных черных дыр — это слияние, при котором 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, моделирующих 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 почти исчерпано 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; Хён Сук 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 Гуан Ян из Гронингенского университета в Нидерландах.

Дополнительная информация: Фан Цзоу и др., «Картирование роста сверхмассивных черных дыр как функции» звездной массы и красного смещения галактики, Астрофизический журнал (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad27cc

Информация журнала: Астрофизический журнал

Предоставлено Университетом штата Пенсильвания

Новости сегодня

Последние новости