Czarne dziury są niezwykłymi obiektami astronomicznymi powaga tak silne, że nic, nawet światło, nie może im uciec. Te największe, znane jako „supermasywne” czarne dziury, mogą ważyć miliony do miliardów razy więcej niż masa słońce.
Te olbrzymy zazwyczaj żyją w centrach galaktyk. Nasza własna galaktyka, droga Mlecznaw swoim sercu zawiera również supermasywną czarną dziurę.
Więc jak te supermasywne czarne dziury stają się supermasywne? Aby odpowiedzieć na to pytanie, nasz zespół astrofizyków przyjrzało się 13,8 miliardom lat historii wszechświata, aby prześledzić, jak supermasywne czarne dziury rosły od początków do dziś.
Zbudowaliśmy model ogólna historia wzrostu supermasywnych czarnych dziur, które powstały na przestrzeni ostatnich 12 miliardów lat.
Jak rosną supermasywne czarne dziury?
Supermasywne czarne dziury rosną głównie na dwa sposoby. Mogą pochłaniać gaz ze swoich galaktyk macierzystych w procesie zwanym akrecją, a także mogą się ze sobą łączyć, gdy dwie galaktyki się zderzają.
Kiedy supermasywne czarne dziury pochłaniają gaz, prawie zawsze emitują silne promienie X, rodzaj wysokoenergetycznego światła niewidocznego gołym okiem. Prawdopodobnie słyszałeś o Promienie rentgenowskie u dentysty, gdzie czasami są używane do badania zębów. Promienie rentgenowskie używane przez astronomów mają zazwyczaj niższe energie niż medyczne promienie rentgenowskie.
Jak więc jakiekolwiek światło, nawet niewidzialne promienie X, może uciec z czarnych dziur? Ściśle rzecz biorąc, światło nie pochodzi z samych czarnych dziur, ale z gazu tuż za nimi. Kiedy gaz jest przyciągany w kierunku czarnej dziury, nagrzewa się i świeci, wytwarzając światło, takie jak promienie X. Im więcej gazu pochłania supermasywna czarna dziura, tym więcej promieni X wytworzy.
Dzięki danym gromadzonym przez ponad 20 lat w trzech najpotężniejszych ośrodkach rentgenowskich, jakie kiedykolwiek umieszczono w kosmosie — Czandra, XMM-Newton I ROZÓŻ — astronomowie mogą uchwycić promienie rentgenowskie z dużej liczby akreujących supermasywnych czarnych dziur we wszechświecie.
Dane te pozwalają naszemu zespołowi badawczemu oszacować, jak szybko supermasywne czarne dziury rosną, konsumując gaz. Średnio supermasywna czarna dziura może konsumować wystarczająco dużo gazu, aby osiągnąć masę Słońca każdego roku, a dokładna wartość zależy od różnych czynników.
Na przykład, dane pokazują że tempo wzrostu czarnej dziury, uśrednione na przestrzeni milionów lat, jest ściśle związane z masą wszystkich gwiazd w jej galaktyce macierzystej.
Jak często łączą się supermasywne czarne dziury?
Oprócz żywienia się gazem, supermasywne czarne dziury mogą również rosnąć poprzez łączenie się ze sobą, tworząc pojedynczą, masywniejszą czarną dziurę, gdy galaktyki się zderzają.
Symulacje kosmologiczne superkomputera można przewidzieć, jak często te zdarzenia mają miejsce. Te symulacje mają na celu modelowanie, w jaki sposób wszechświat rośnie i ewoluuje w czasie. Niezliczone galaktyki latające w przestrzeni są jak cegły, budujące wszechświat.
Te symulacje pokazują, że galaktyki i znajdujące się w nich supermasywne czarne dziury mogą ulegać wielokrotnym połączeniom na przestrzeni historia kosmiczna.
Nasz zespół śledził te dwa kanały wzrostu — zużycie gazu i fuzje — za pomocą promieni rentgenowskich i symulacji superkomputerowych, a następnie połączył je, aby skonstruować ogólną historię wzrostu, która mapuje rozrost czarnych dziur we wszechświecie na przestrzeni miliardów lat.
Nasza historia wzrostu ujawniona że supermasywne czarne dziury rozrastały się znacznie szybciej miliardy lat temu, gdy wszechświat był młodszy.
W początkach wszechświat zawierał więcej gazu do konsumpcji przez supermasywne czarne dziury, a supermasywne czarne dziury wciąż się pojawiały. Wraz ze starzeniem się wszechświata gaz stopniowo się wyczerpywał, a wzrost supermasywnych czarnych dziur zwalniał. Około 8 miliardów lat temu liczba supermasywnych czarnych dziur ustabilizowała się. Od tego czasu nie wzrosła znacząco.
Gdy nie ma wystarczająco dużo gazu, aby supermasywne czarne dziury mogły rosnąć przez akrecję, jedynym sposobem, aby stały się większe, jest łączenie. Nie widzieliśmy zbyt wielu takich przypadków w naszej historii wzrostu. Średnio, najmasywniejsze czarne dziury mogą gromadzić masę z połączeń w tempie dochodzącym do masy Słońca co kilka dekad.
Oczekiwanie na coś
Badania te pomogły nam zrozumieć, w jaki sposób ponad 90% masy czarnych dziur zgromadziło się w ciągu ostatnich 12 miliardów lat.
Musimy jednak nadal zbadać, w jaki sposób rosły w bardzo wczesny wszechświat aby wyjaśnić pozostałe kilka procent masy w czarnych dziurach. Społeczność astronomów zaczyna robić postępy w badaniu tych wczesnych supermasywnych czarnych dziur i mamy nadzieję, że wkrótce znajdziemy więcej odpowiedzi.
Niniejszy edytowany artykuł został przedrukowany z Rozmowa na licencji Creative Commons. Przeczytaj oryginalny artykuł.
