צוות מחקר של פן סטייט שיפר את ההבנה שלנו לגבי צמיחת חור שחור סופר מסיבי על ידי שילוב נתוני רנטגן והדמיות היווצרות גלקסיות. הממצאים שלהם חושפים שצמיחת חורים שחורים מונעת בעיקר על ידי הצטברות, כאשר למיזוגים יש תפקיד משני, במיוחד ביקום המוקדם. תובנות אלו עוזרות להסביר את הצמיחה המהירה של חורים שחורים בשלבים הצעירים של היקום.
חוקרים שילבו סקרי רנטגן וסימולציות של מחשבי-על כדי לעקוב אחר 12 מיליארד שנים של צמיחת חורים שחורים קוסמיים.
הממצאים שלהם חושפים את זה חור שחור הצמיחה מונעת בעיקר על ידי הצטברות, כאשר למיזוגים יש תפקיד משני, במיוחד ביקום המוקדם. תובנות אלו עוזרות להסביר את הצמיחה המהירה של חורים שחורים בשלבים הצעירים של היקום.
איך חורים שחורים סופר מסיביים הופכים לסופר מסיביים?
על ידי שילוב של תצפיות בקרני רנטגן בחזית עם הדמיות מתקדמות של מחשבי-על של הצטברות גלקסיות על פני ההיסטוריה הקוסמית, החוקרים סיפקו את המודל הטוב ביותר עד כה של צמיחת החורים השחורים העל-מאסיביים שנמצאו במרכזי הגלקסיות. באמצעות גישה היברידית זו, צוות מחקר בראשות אסטרונומים של פן סטייט הסיק תמונה מלאה של צמיחת חורים שחורים במשך 12 מיליארד שנים, מינקותו של היקום בסביבות 1.8 מיליארד שנים ועד היום בגיל 13.8 מיליארד שנים.
המחקר כולל שני מאמרים, האחד פורסם ב ה כתב עת אסטרופיזי באפריל 2024, ואחד שטרם פורסם שיוגש לאותו כתב עת. התוצאות יוצגו במפגש ה-244 של האגודה האמריקאית לאסטרונומיה, שנערך בין 9 ל-13 ביוני במרכז הכנסים Monona Terrace במדיסון, ויסקונסין. התוצאות הוצגו במהלך מסיבת עיתונאים שהועברה בשידור חי וזמינה לצפייה כעת:
מנגנונים של צמיחת חור שחור סופר מסיבי
"לחורים שחורים סופר-מסיביים במרכזי הגלקסיות יש פי מיליוני עד מיליארדי מסה של השמש", אמר פאן זו, סטודנט לתואר שני בפן סטייט ומחבר ראשון של המאמרים. "איך הם הופכים למפלצות כאלה? זו שאלה שאסטרונומים חוקרים כבר עשרות שנים, אבל היה קשה לעקוב אחר כל הדרכים שבהן חורים שחורים יכולים לצמוח בצורה מהימנה".
חורים שחורים סופר מסיביים צומחים דרך שילוב של שני ערוצים עיקריים. הם צורכים גז קר מהגלקסיה המארחת שלהם – תהליך הנקרא הצטברות – והם יכולים להתמזג עם חורים שחורים סופר-מאסיביים אחרים כאשר גלקסיות מתנגשות.
מקורות נתונים ומדידות צבירה
"במהלך תהליך צריכת הגז מהגלקסיות המארחות שלהם, חורים שחורים מקרינים קרני רנטגן חזקות, וזה המפתח למעקב אחר צמיחתם על ידי הצטברות", אמר וו.ניאל ברנדט, יו"ר משפחת אברלי פרופסור לאסטרונומיה ואסטרופיזיקה ופרופסור ל- פיזיקה בפן סטייט ומנהיג צוות המחקר. "מדדנו את הצמיחה מונעת ההצטברות באמצעות נתוני סקר שמי רנטגן שהצטברו במשך יותר מ-20 שנה משלושה ממתקני הרנטגן החזקים ביותר ששוגרו אי פעם לחלל."
צוות המחקר השתמש בנתונים משלימים מ נאס"אמצפה הכוכבים לרנטגן צ'אנדרה, ה סוכנות החלל האירופיתמשימת-ניוטון מרובה-מראות רנטגן (XMM-Newton), וטלסקופ eROSITA של מכון מקס פלנק לפיזיקה מחוץ לכדור הארץ. בסך הכל, הם מדדו את הצמיחה מונעת הצבירה במדגם של 1.3 מיליון גלקסיות שהכילו למעלה מ-8,000 חורים שחורים שגדלו במהירות.
חוקרים סיפקו את המודל הטוב ביותר עד כה של צמיחת החורים השחורים העל-מאסיביים שנמצאו במרכזי הגלקסיות על ידי שילוב תצפיות בקרני רנטגן ממתקני רנטגן החזקים ביותר ששוגרו אי פעם לחלל עם הדמיות מחשב-על של הצטברות גלקסיות על פני קוסמיות. הִיסטוֹרִיָה. משמאל תמונה המשלבת תצפיות בקרני רנטגן (כחול) ואופטיות (אדום, ירוק וכחול) ומימין מדמה צפיפות עמודת גז מהדמיות קוסמולוגיות באמצעות IllustrisTNG. פליטת קרני הרנטגן הנצפית היא בעיקר מהצטברות חורים שחורים סופר-מסיביים, כפי שמתואר באיור של האמן (הוספה). אורך הצד הקצר של הדמות מכסה את אותו גודל לכאורה כמו הירח המלא בשמים. קרדיט: F. Zou (Penn State) וחב'; תצפיות: שיתוף הפעולה XMM-SERVS; סימולציות: שיתוף הפעולה של TNG; איור: Nahks TrEhnl (פן סטייט)
"כל הגלקסיות והחורים השחורים במדגם שלנו מאופיינים היטב באורכי גל מרובים, עם מדידות מעולות ברצועות האינפרא אדום, האופטי, האולטרה סגול והרנטגן", אמר זו. "זה מאפשר מסקנות חזקות, והנתונים מראים שבכל התקופות הקוסמיות, גלקסיות מסיביות יותר הגדילו את החורים השחורים שלהן על ידי הצטברות מהירה יותר. עם איכות הנתונים, הצלחנו לכמת את התופעה החשובה הזו הרבה יותר מאשר בעבודות קודמות".
מיזוגים וצמיחה מדומה
הדרך השנייה שבה גדלים חורים שחורים סופר-מאסיביים היא באמצעות מיזוגים, שבהם שני חורים שחורים סופר-מאסיביים מתנגשים ומתמזגים יחדיו ויוצרים חור שחור אחד, אפילו יותר מסיבי. כדי לעקוב אחר צמיחה על ידי מיזוגים, הצוות השתמש ב-IllustrisTNG, קבוצה של הדמיות מחשבי-על המדגימות היווצרות, אבולוציה ומיזוג של גלקסיות מזמן קצר לאחר המפץ הגדול עד ההווה.
"בגישה ההיברידית שלנו, אנו משלבים את הצמיחה הנצפית על ידי הצטברות עם הצמיחה המדומה באמצעות מיזוגים כדי לשחזר את היסטוריית הצמיחה של חורים שחורים סופר מסיביים", אמר ברנדט. "עם גישה חדשה זו, אנו מאמינים שהפקנו את התמונה המציאותית ביותר של צמיחתם של חורים שחורים סופר מסיביים עד היום".
השפעה ודפוסי צמיחה היסטוריים
החוקרים גילו שברוב המקרים, ההצטברות שלטה בצמיחת החורים השחורים. מיזוגים תרמו תרומות משניות בולטות, במיוחד במהלך 5 מיליארד השנים האחרונות של זמן קוסמי עבור החורים השחורים האדירים ביותר. בסך הכל, חורים שחורים סופר-מסיביים מכל ההמונים צמחו הרבה יותר מהר כשהיקום היה צעיר יותר. בגלל זה, המספר הכולל של חורים שחורים סופר-מאסיביים כמעט מיושב לפני 7 מיליארד שנים, בעוד מוקדם יותר ביקום רבים חדשים המשיכו להופיע.
"עם הגישה שלנו, אנו יכולים לעקוב אחר האופן שבו חורים שחורים מרכזיים ביקום המקומי צמחו ככל הנראה במהלך הזמן הקוסמי", אמר זו. "כדוגמה, שקלנו את הצמיחה של החור השחור הסופר-מאסיבי במרכז שלנו שביל החלב גלקסיה, בעלת מסה של 4 מיליון מסות שמש. התוצאות שלנו מצביעות על כך שסביר להניח שהחור השחור של הגלקסיה שלנו צמח מאוחר יחסית בזמן הקוסמי."
בנוסף לזאו וברנדט, צוות המחקר כולל את ז'יבו יו, סטודנט לתואר שני בפן סטייט; Hyungsuk Tak, עוזר פרופסור לסטטיסטיקה ולאסטרונומיה ואסטרופיזיקה בפן סטייט; אלנה גאלו באוניברסיטת מישיגן; בין לואו באוניברסיטת נאנג'ינג בסין; צ'ינגלינג ני במכון מקס פלנק לפיזיקה מחוץ לכדור הארץ בגרמניה; Yongquan Xue באוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין; וגואנג יאנג באוניברסיטת חרונינגן בהולנד.
מימון מהקרן הלאומית למדע בארה"ב, מרכז רנטגן צ'אנדרה ופן סטייט תמכו בעבודה זו. העבודה התאפשרה גם בזכות השיתוף של IllustrisTNG תוצאות סימולציה עם הקהילה המדעית.
