Масса сверхмассивных черных дыр превышает массу миллиона солнц, их рост замедлился по мере старения

Черные дыры — это замечательные астрономические объекты с такой сильной гравитацией , что ничто, даже свет, не может их покинуть. Самые гигантские из них, известные как «сверхмассивные» черные дыры, могут весить в миллионы или миллиарды раз больше массы Солнца.

Эти гиганты обычно живут в центрах галактик . Наша собственная галактика, Млечный Путь, также содержит в своем сердце сверхмассивную черную дыру .

Итак, как эти сверхмассивные черные дыры становятся сверхмассивными? Чтобы ответить на этот вопрос, наша команда астрофизиков заглянула назад во времени на 13,8 миллиарда лет истории Вселенной, чтобы отследить, как росли сверхмассивные черные дыры с самых первых дней до наших дней.

Мы построили модель общей истории роста сверхмассивных черных дыр, охватывающую последние 12 миллиардов лет.

Как растут сверхмассивные черные дыры?

Сверхмассивные черные дыры растут в основном двумя способами. Они могут поглощать газ из своих родительских галактик в процессе, называемом аккрецией , а также могут сливаться друг с другом , когда сталкиваются две галактики.

Когда сверхмассивные черные дыры поглощают газ, они почти всегда испускают сильные рентгеновские лучи , тип высокоэнергетического света, невидимого невооруженным глазом. Вы, вероятно, слышали о рентгеновских лучах у дантиста, где их иногда используют для обследования зубов. Рентгеновские лучи, используемые астрономами, обычно имеют более низкую энергию, чем медицинские рентгеновские лучи.

Так как же свет, даже невидимые рентгеновские лучи, может вырваться из черных дыр? Строго говоря, свет исходит не от самих черных дыр, а от газа, находящегося за их пределами. Когда газ притягивается к черной дыре, он нагревается и светится, производя свет, как рентгеновские лучи. Чем больше газа потребляет сверхмассивная черная дыра, тем больше рентгеновских лучей она производит.

Благодаря данным, накопленным за более чем 20 лет с трех самых мощных рентгеновских установок, когда-либо запущенных в космос — Chandra , XMM-Newton и eROSITA — астрономы могут регистрировать рентгеновское излучение от большого количества аккрецирующих сверхмассивных черных дыр во Вселенной.

Эти данные позволяют нашей исследовательской группе оценить, насколько быстро растут сверхмассивные черные дыры, потребляя газ. В среднем сверхмассивная черная дыра может потреблять достаточно газа, чтобы составить массу Солнца в год, при этом точное значение зависит от различных факторов.

Например, данные показывают , что скорость роста черной дыры, усредненная за миллионы лет, тесно связана с массой всех звезд в ее галактике.

Как часто сливаются сверхмассивные черные дыры?

Помимо питания газом, сверхмассивные черные дыры могут также расти, сливаясь друг с другом и образуя единую, более массивную черную дыру при столкновении галактик.

Космологические симуляции на суперкомпьютере могут предсказать, как часто происходят эти события. Эти симуляции направлены на моделирование того, как вселенная растет и развивается с течением времени. Бесчисленные галактики, летящие в космосе, своего рода кирпичики, из которых строится вселенная.

Эти моделирования показывают, что галактики и находящиеся в них сверхмассивные черные дыры могут претерпевать многочисленные слияния на протяжении космической истории.

Наша команда отследила эти два канала роста — потребление газа и слияния — с помощью рентгеновских лучей и моделирования на суперкомпьютере, а затем объединила их, чтобы построить общую историю роста, которая отображает рост черных дыр по всей Вселенной за миллиарды лет.

Наша история роста показала , что сверхмассивные черные дыры росли гораздо быстрее миллиарды лет назад, когда Вселенная была моложе.

В ранние времена во Вселенной было больше газа для потребления сверхмассивными черными дырами, и сверхмассивные черные дыры продолжали появляться. По мере старения Вселенной газ постепенно истощался, и рост сверхмассивных черных дыр замедлялся. Около 8 миллиардов лет назад количество сверхмассивных черных дыр стабилизировалось. С тех пор оно существенно не увеличивалось.

Когда для роста сверхмассивных черных дыр недостаточно газа путем аккреции, единственный способ для них стать больше — это слияния. Мы не видели слишком много случаев этого в нашей истории роста. В среднем самые массивные черные дыры могут накапливать массу за счет слияний со скоростью, достигающей массы Солнца, каждые несколько десятилетий.

С нетерпением жду

Это исследование помогло нам понять, как более 90% массы черных дыр накопилось за последние 12 миллиардов лет.

Однако нам все еще нужно исследовать, как они росли в очень ранней Вселенной, чтобы объяснить оставшиеся несколько процентов массы в черных дырах. Астрономическое сообщество начинает добиваться прогресса в изучении этих ранних сверхмассивных черных дыр, и мы надеемся вскоре найти больше ответов.

Эта статья переиздана из The Conversation , некоммерческой независимой новостной организации, предоставляющей вам факты и аналитику, которые помогут вам разобраться в нашем сложном мире.

Авторы: Фань Цзоу , Университет штата Пенсильвания , и В. Нил Брандт , Университет штата Пенсильвания.