Ujawnianie ewolucji supermasywnej czarnej dziury

Studiować w Astronomia przyrodnicza Ujawnia jednoczesną koewolucję supermasywnych czarnych dziur i ich galaktyk macierzystych, napędzaną wspólnym źródłem gazu i spójną dla wszystkich typów galaktyk. To pionierskie badanie dostarcza istotnych informacji pozwalających zrozumieć tę kwestię Czarna dziura-Dynamika galaktyczna i kształtowanie przyszłych badań.

Nowy artykuł badawczy dostarcza ważnych nowych spostrzeżeń na temat koewolucji supermasywnych czarnych dziur i ich galaktyk macierzystych. Badania przeprowadzone przez dr Mingyanga Zhuanga, który ukończył Uniwersytet w Pekinie w 2022 r. i obecnie jest powiązany z Uniwersytetem Illinois Urbana-Champaign, oraz profesora Louisa C. Hu z Instytutu Astronomii i Astrofizyki Kavli Uniwersytetu Pekińskiego, wyprowadziły strukturalne i fotometryczne właściwości galaktyk macierzystych do około 11 500 przesunięć ku czerwieni ≥ 0,35 Nieprzesłonięte aktywne jądra galaktyczne (AGN) wykorzystujące dane z przeglądu Stradian Survey Pan-STARRS1 3PI do badania powiązań między masą czarnej dziury a właściwościami galaktyk macierzystych w pobliskim wszechświecie. Uniwersytet Pekiński jest głównym stowarzyszeniem gazety. Badanie zatytułowane „Ewolucyjne ścieżki aktywnych jąder galaktycznych i ich galaktyk macierzystych” opublikowano niedawno w czasopiśmie Astronomia przyrodnicza.

Sekret związku czarnej dziury z galaktyką

Ścisłe korelacje obserwowane pomiędzy masami supermasywnych czarnych dziur a właściwościami ich galaktyk macierzystych od dawna intrygują astronomów. Nie osiągnięto jednak konsensusu co do tego, jak powstają relacje między czarną dziurą a galaktyką ani jak ewoluują one w czasie. Dokładny związek między masą czarnej dziury a właściwościami galaktyk macierzystych dla AGN w pobliskim Wszechświecie pozostaje nieuchwytny.

Ewolucja i synchronizacja galaktyk

Badanie wykazało, że galaktyki z aktywnie akreującymi czarnymi dziurami wykazują podobny związek między masą czarnej dziury a masą gwiazd, niezależnie od typu galaktyki. Co więcej, pozycja galaktyki w tym związku wydaje się być powiązana z poziomem powstawania gwiazd i aktywnością akrecji czarnych dziur.

Po lewej: Ścieżki ewolucji w kierunku z = 0 dla obiektów o masie czarnej dziury – poziomie masy gwiazdowej. Ścieżki ewolucji są oznaczone kierunkiem i długością każdej strzałki. Czerwone, zielone i niebieskie elipsy reprezentują typowe lokalizacje kwazarów z ≳ 6 i obiektów podejrzanych o obecność czarnych dziur o małej masie, w tym galaktyk submilimetrowych (SMG) z ≈ 2, jasnych galaktyk bliskiej podczerwieni (LIRG) i galaktyki linii Seyferta 1 Wąskie (NLS1). Czarne linie wskazują lokalizację lokalnych galaktyk z nieaktywnymi (martwymi) czarnymi dziurami. Po prawej: obrazy Pan-STARRS1 w fałszywych kolorach czterech przykładów AGN typu 1 o niskim przesunięciu ku czerwieni analizowanych w badaniu. Źródło: Uniwersytet w Pekinie

„Nasze wyniki ujawniają ścieżki ewolucji galaktyk na poziomach czarnej dziury i masy gwiazd” – powiedział dr Chuang. „Wydaje się, że współewolucja galaktyki i jej centralnej czarnej dziury jest zsynchronizowana w długich skalach czasowych. Galaktyki z czarnymi dziurami o większej masie doganiają i tworzą więcej gwiazd. Galaktyki z chudymi czarnymi dziurami pozwalają czarnej dziurze zjeść więcej. Ostatecznie te dwie osiągnąć szczęśliwą równowagę.”

Zaopatrzenie w gaz i ścieżka ewolucji

Dostępność wspólnego źródła gazu dla akrecji czarnych dziur i powstawania gwiazd może być przyczyną jednoczesnego wzrostu obiektów w skali lokalnej. Ścieżka ewolucyjna obiektów masywnych czarnych dziur poniżej relacji lokalnej potwierdza scenariusz sugerowany przez ostatnie symulacje, w którym wzrost czarnej dziury początkowo pozostaje w tyle za powstawaniem gwiazd, ale później sytuacja ulega odwróceniu, gdy gaz ustabilizuje się na wyższej masie gwiazdowej. AGN z hipermasywnymi czarnymi dziurami powyżej relacji lokalnej w dalszym ciągu zyskują masę gwiazdową, co jest zgodne z odkryciem aktywnego formowania się gwiazd i dużej zawartości gazu w galaktykach macierzystych wczesnego typu AGN.

Mechanizmy informacji zwrotnej i przyszłe kierunki badań

Ścieżki te wskazują, że mechanizmy sprzężenia zwrotnego AGN działających w trybie radiacyjnym, które mają zapobiegać tworzeniu się gwiazd, są mniej skuteczne w przypadku galaktyk poniżej zależności skalowania. W przypadku galaktyk znajdujących się wyżej niż powyższa relacja, sprzężenie zwrotne w trybie kinematycznym wydaje się niewystarczające, aby zatrzymać długoterminowe powstawanie gwiazd.

„Ta praca dostarcza nowych informacji na temat koewolucji supermasywnych czarnych dziur i ich galaktyk macierzystych, które mogą służyć jako ostateczny punkt odniesienia i ramy dla badań ewolucyjnych” – wyjaśnił profesor Hu. „Wyniki dostarczają krytycznych ograniczeń obserwacyjnych dla symulacji numerycznych, które modelują złożoną interakcję między czarnymi dziurami a ich galaktykami macierzystymi”.

„W tym artykule badamy ścieżki ewolucyjne czarnych dziur i galaktyk o poziomach mas gwiazdowych w pobliskim wszechświecie, łączymy właściwości powstawania gwiazd i akrecji czarnych dziur oraz przedstawiamy kluczowe ograniczenia dotyczące sprzężenia zwrotnego aktywnych jąder galaktycznych” – powiedział redaktor czasopisma. Astronomia przyrodnicza Wysoko ceniony. „Odkrycia zawarte w tym artykule są bardzo interesujące i bardzo ważne dla naszego zrozumienia wspólnej ewolucji czarnych dziur i galaktyk na przestrzeni epok kosmicznych oraz powstawania i akrecji gwiazd” – mówi jeden z recenzentów.

Odniesienie: „Ścieżki ewolucyjne aktywnych jąder galaktycznych i ich galaktyk macierzystych” Mingyang Zhuang, Louis C. Ho, 17 sierpnia 2023, Astronomia przyrodnicza.
doi: 10.1038/s41550-023-02051-4

Prace te są wspierane przez Narodowy Program Badań i Rozwoju Chin oraz Chińską Narodową Fundację Nauki.