С помощью рентгеновских телескопов выяснили, почему черные дыры «замедляют» свой рост

Астрономы нашли ответ на давнюю загадку астрофизики: почему сейчас темпы роста сверхмассивных черных дыр настолько ниже, чем в прошлом?

Об этом рассказывается на сайте рентгеновской обсерватории NASA «Чандра», передают OstanniPodii.com.

Новое исследование, проведенное с помощью «Чандры» и других рентгеновских телескопов, показало, что сверхмассивные черные дыры не способны поглощать вещество так же быстро, как это происходило в далеком прошлом.

Десять миллиардов лет назад был период, который астрономы называют «космическим полднем», когда рост сверхмассивных черных дыр (тех, масса которых в миллионы и миллиарды раз превышает массу Солнца) достиг своего пика за всю историю Вселенной. Однако между космическим полуднем и настоящим временем астрономы наблюдают значительное замедление темпов роста черных дыр.

«Причина этого значительного замедления долгое время оставалась загадкой», — сказал Чжибо Ю из Пенсильванского государственного университета, главный автор нового исследования. «Благодаря этим рентгеновским данным и с помощью наблюдений на других длинах волн мы можем проверить различные гипотезы и сузить круг возможных ответов».

Когда газ попадает в сверхмассивную черную дыру, он нагревается и излучает большое количество радиации, в частности в рентгеновском диапазоне. На протяжении десятилетий телескоп «Чандра» и другие рентгеновские телескопы фиксировали замедление роста черных дыр, наблюдая за ними на разных расстояниях во Вселенной. Важно, что черные дыры, которые растут быстрее, излучают больше рентгеновского излучения.

Анализируя наблюдения за примерно 1,3 миллионами галактик и 8 000 растущих сверхмассивных черных дыр, полученные с помощью «Чандры», XMM-Newton и eROSITA (Расширенное рентгеновское исследование с использованием массива телескопов для получения изображений), команда смогла выявить причину этого замедления черных дыр.

«Похоже, что потребление материи черными дырами значительно замедлилось с возрастом Вселенной», — сказал соавтор исследования Ниль Брандт, также из Пенсильванского государственного университета. «Это, вероятно, связано с тем, что количество холодного газа, доступного для их поглощения, уменьшилось со времен космического полудня».

В этом исследовании ученые определили яркость и массу черных дыр, а также количество галактик, имеющих источники рентгеновского излучения, что указывает на наличие в них растущих сверхмассивных черных дыр. Команда использовала комбинацию наблюдений — от поверхностных обзоров больших участков неба до чрезвычайно длительных изучений небольших полей. Этот комплекс часто визуализируют в виде многоуровневых слоев, образующих структуру «свадебного торта».

Во время наблюдений XMM-Newton и eROSITA обеспечили средний и нижний слои более широкими, но неглубокими наблюдениями. Между тем «Чандра» обеспечила верхний слой глубокими наблюдениями, охватывавшими относительно небольшую площадь, что позволило обнаружить более слабые и удаленные растущие черные дыры.

«Объединяя эти данные с разных рентгеновских телескопов, мы можем составить более полную картину того, как растут эти черные дыры, чем это мог бы сделать любой телескоп в отдельности», — сказал соавтор исследования Фан Цзоу из Мичиганского университета. «Мы можем выяснить, почему за более чем десять миллиардов лет рост сверхмассивных черных дыр перешел от бурного к медленному, а затем к ледниковому».

Команда провела тестирование трех основных возможных сценариев, которые в настоящее время рассматриваются в отношении замедления роста черных дыр. Эти варианты были следующими: может ли замедление роста черных дыр быть вызвано менее эффективными темпами поглощения, меньшей типичной массой черных дыр или меньшим количеством активно растущих черных дыр?

Анализ данных, охватывающих миллиарды лет космической истории, привел их к выводу, что черные дыры действительно поглощают материю тем медленнее, чем позже их обнаруживают после Большого взрыва. Исследователи ожидают, что эта тенденция к замедлению роста черных дыр сохранится также в будущем.

Ключевой проблемой этого исследования является то, что как черные дыры с большей массой, так и черные дыры, растущие быстрее, излучают более яркое рентгеновское излучение. Для оценки масс черных дыр и разграничения этих двух факторов использовались наблюдения на других длинах волн, включая оптические и инфракрасные данные.

Статья, описывающая эти результаты, была опубликована в «Astrophysical Journal».