За допомогою рентгенівських телескопів з′ясовано, чому чорні діри «гальмують» своє зростання

Астрономи знайшли відповідь на давню загадку астрофізики: чому зараз темпи зростання надмасивних чорних дір настільки нижчі, ніж у минулому?

Про це розповідається на сайті рентгенівської обсерваторії NASA «Чандра», передають OstanniPodii.com.

Нове дослідження, проведене за допомогою «Чандри» та інших рентгенівських телескопів, показало, що надмасивні чорні діри не здатні поглинати речовину так само швидко, як це відбувалося в далекому минулому.

Десять мільярдів років тому був період, який астрономи називають «космічним полуднем», коли зростання надмасивних чорних дір (тих, маса яких у мільйони та мільярди разів перевищує масу Сонця) досягло свого піка за всю історію Всесвіту. Однак між космічним полуднем і теперішнім часом астрономи спостерігають значне уповільнення темпів зростання чорних дір.

«Причина цього значного уповільнення довгий час залишалася загадкою», — сказав Чжибо Ю з Пенсильванського державного університету, головний автор нового дослідження. «Завдяки цим рентгенівським даним та з підтримкою спостережень на інших довжинах хвиль ми можемо перевірити різні гіпотези та звузити коло можливих відповідей».

Коли газ потрапляє у надмасивну чорну діру, він нагрівається та випромінює велику кількість радіації, зокрема у рентгенівському діапазоні. Протягом десятиліть телескоп «Чандра» та інші рентгенівські телескопи фіксували уповільнення зростання чорних дір, спостерігаючи за ними на різних відстанях у Всесвіті. Важливо, що чорні діри, які зростають швидше, випромінюють більше рентгенівського випромінювання.

Аналізуючи спостереження за приблизно 1,3 мільйонами галактик та 8 000 надмасивних чорних дір, що зростають, отримані за допомогою «Чандри», XMM-Newton та eROSITA (Розширене рентгенівське дослідження з використанням масиву телескопів для отримання зображень), команда змогла виявити причину цього уповільнення чорних дір.

«Схоже, що споживання матерії чорними дірами значно сповільнилося з віком Всесвіту», — сказав співавтор дослідження Ніль Брандт, також із Пенсильванського державного університету. «Це, ймовірно, пов’язано з тим, що кількість холодного газу, доступного для їхнього поглинання, зменшилася з часів космічного полудня».

У цьому дослідженні вчені визначили яскравість і масу чорних дір, а також кількість галактик, що мають джерела рентгенівського випромінювання, що вказує на наявність у них надмасивних чорних дір, що зростають. Команда використовувала комбінацію спостережень — від поверхневих оглядів великих ділянок неба до надзвичайно тривалих вивчень невеликих полів. Цей комплекс часто візуалізують у вигляді багаторівневих шарів, що утворюють структуру «весільного торта».

Під час спостережень XMM-Newton та eROSITA забезпечили середній та нижній шари більш широкими, але неглибокими спостереженнями. Тим часом «Чандра» забезпечила верхній шар глибокими спостереженнями, що охоплювали відносно невелику площу, що дозволило виявити слабкіші та віддаленіші чорні діри, що зростають.

«Поєднуючи ці дані з різних рентгенівських телескопів, ми можемо скласти кращу картину того, як зростають ці чорні діри, ніж це міг би зробити будь-який телескоп окремо», — сказав співавтор дослідження Фан Цзоу з Мічиганського університету. «Ми можемо з’ясувати, чому за понад десять мільярдів років зростання надмасивних чорних дір перейшло від бурхливого до повільного, а потім до льодовикового».

Команда провела тестування трьох основних можливих сценаріїв, які наразі розглядаються щодо уповільнення зростання чорних дір. Ці варіанти були такими: чи може уповільнення зростання чорних дір бути спричинене менш ефективними темпами споживання, меншою типовою масою чорних дір або меншою кількістю чорних дір, що активно зростають?

Аналіз даних, що охоплюють мільярди років космічної історії, привів їх до висновку, що чорні діри дійсно споживають матерію тим повільніше, чим пізніше їх виявляють після Великого вибуху. Дослідники очікують, що ця тенденція до уповільнення зростання чорних дір збережеться також у майбутньому.

Ключовою проблемою цього дослідження є те, що як чорні діри з більшою масою, так і чорні діри, що зростають швидше, випромінюють яскравіше рентгенівське випромінювання. Для оцінки мас чорних дір та розмежування цих двох факторів використовувалися спостереження на інших довжинах хвиль, включаючи оптичні та інфрачервоні дані.

Стаття, що описує ці результати, була опублікована в «Astrophysical Journal».