Доля заселенности черных дыр помогает прояснить историю Галактики

Фото из открытых источников

Считается, что большинство галактик содержат по крайней мере одну массивную черную дыру, но насколько абсолютна эта связь на самом деле — и что она может нам рассказать об эволюции галактик?

Массивные чёрные дыры повсюду. Ну, не совсем повсюду, но они почти всегда находятся глубоко внутри галактик. Причина этого довольно проста: чёрные дыры могут образовываться в ранней Вселенной, а многократные слияния чёрных дыр, происходящие в результате столкновений и роста галактик на протяжении миллиардов лет, неизбежно приводят к тому, что некоторые из этих чёрных дыр раздуваются до массивных или сверхмассивных размеров.

Распространенность массивных черных дыр количественно оценивается долей заселенности черными дырами (BHOF), числом, представляющим собой долю всех галактик, содержащих хотя бы один такой объект. Для галактик большой массы определение BHOF относительно просто. В этих системах центральные черные дыры могут оказывать значительное динамическое воздействие, позволяющее осуществлять их прямое обнаружение, и наблюдательные данные свидетельствуют о том, что BHOF близка к 1. Однако, когда речь идет о галактиках меньшей массы, BHOF измерить сложнее. Черные дыры в галактиках меньшей массы часто не могут аккрецировать достаточное количество материала для образования ярких аккреционных дисков или заметного разрушения видимой материи и звезд, что затрудняет определение того, остается ли BHOF близкой к единице для всех масс галактик. 

Понимание феномена черных дыр в галактиках с высокой массой имеет важное значение для изучения эволюции галактик. В массивных галактиках последовательные слияния и плотные ядра позволяют формировать сверхмассивные черные дыры, но также гомогенизируют центральные черные дыры, стирая подсказки об их происхождении. В маломассивных галактиках положение и массы центральных черных дыр могут сохранять некоторую изменчивость, которая может дать нам информацию об их происхождении. В отсутствие надежных наблюдательных данных о феномене черных дыр в галактиках с низкой массой группа исследователей под руководством Эммы Джейн Уэллер решила изучить наилучший альтернативный вариант: космологические симуляции.

Уэллер и ее коллеги использовали ASTRID, высокоразрешенную космологическую модель, включающую сложную схему зарождения и эволюции черных дыр. В отличие от некоторых других космологических моделей, при образовании массивных черных дыр они не просто вынуждены располагаться в центрах своих галактик. Скорее, возмущения от слияний и взаимодействий с другими черными дырами могут смещать их, создавая два класса массивных черных дыр: центральные и блуждающие — где блуждающие черные дыры — это любые черные дыры, расположенные во внешней половине своих галактик. Модель также позволяет определить, когда черная дыра подвергается значительной аккреции.

Изучив коэффициент усиления черных дыр (BHOF) в различных системах, авторы выявили несколько заметных тенденций. В то время как общий коэффициент усиления черных дыр оставался очень близким к 1 во всем диапазоне масс, типы черных дыр значительно различались. Для маломассивных галактик центральный коэффициент усиления черных дыр со временем уменьшался, в то время как блуждающий коэффициент усиления черных дыр возрастал. Этот компромисс можно объяснить многократными слияниями, смещающими центральные черные дыры. В малых галактиках неглубокие гравитационные потенциалы затрудняют возвращение этих черных дыр в центры галактик после слияния. Эти системы, расположенные вне центра, редко аккрецируют и, как правило, трудно поддаются наблюдению. Этот результат имеет важные последствия для наблюдательных исследований, поскольку без понимания распространенности блуждающих черных дыр наблюдения галактик без очевидной черной дыры могут быть ошибочно интерпретированы как свидетельство неэффективности процесса зарождения черных дыр.

Уэллер и ее коллеги также обнаружили, что коэффициент усиления чёрных дыр (BHOF) для сильно аккрецирующих чёрных дыр значительно меньше, чем общий BHOF, особенно после космического полудня, когда галактический рост замедляется. Как и в случае с тенденциями в отношении блуждающих и центральных чёрных дыр, это открытие подчёркивает необходимость более тонкой интерпретации наблюдательных ограничений на BHOF, поскольку местоположение, активность и общая наблюдаемость массивных чёрных дыр могут значительно различаться в зависимости от их галактической среды, истории слияний и возраста.