Związek między czarnymi dziurami a ich galaktykami macierzystymi

Wydaje się, że rozmiar supermasywnej czarnej dziury idzie w ślad za rozmiarem jej galaktyki macierzystej. Ale czy jest to przypadek statystyczny, czy też istnieje fizyczny powód takiego połączenia? Najnowsze modelowanie dostarcza nowych wskazówek.

Dorastając razem
Supermasywne czarne dziury – czarne dziury o masach od milionów do dziesiątek miliardów mas Słońca – które czają się w aktywnych centrach galaktyk wykazują dziwną zależność: ich masy korelują z masami gwiazdowymi ich galaktyk macierzystych. Oznacza to, że im większa jest galaktyka, tym większej czarnej dziury w jej centrum możemy się spodziewać.

Ale skąd ten związek? Skąd czarna dziura może wiedzieć o rozmiarze otaczającej ją galaktyki i na odwrót? Istnieje kilka proponowanych wyjaśnień korelacji między masą centralnej czarnej dziury a masą gwiazdową galaktyki macierzystej:

1. Jest to spowodowane sprzężeniem zwrotnym aktywnego jądra galaktycznego (AGN).
W tym scenariuszu dżety i wiatry z akreującej czarnej dziury mogą zarówno wyzwalać formowanie się gwiazd, jak i gasić je, wyrzucając dodatkowy gaz – paliwo do formowania się gwiazd – z galaktyki. To sprzężenie zwrotne powoduje, że tempo tworzenia się gwiazd z grubsza odzwierciedla tempo akrecji czarnej dziury.

2. Jest to spowodowane wzrostem czarnej dziury i formowaniem się gwiazd w galaktykach, które są zależne od tego samego źródła paliwa.
Jeżeli wzrost czarnej dziury i galaktyczne formowanie się gwiazd są połączone z tym samym źródłem paliwa, to te dwa wzrosty powinny być skorelowane, nawet jeżeli nie oddziałują ze sobą wzajemnie. Jednym z przykładów źródła paliwa, które mogłoby spowodować nagły wzrost, jest tzw. model mokrego łączenia się – zderzenie dwóch galaktyk bogatych w gaz.

3. Jest to po prostu konsekwencja statystyk, a nie fizyczny mechanizm.
Twierdzenie znane jako centralne twierdzenie graniczne sugeruje, że obserwowana przez nas zależność może powstać naturalnie jako statystyczna konsekwencja hierarchicznego budowania galaktyk z mniejszych struktur na przestrzeni czasu. W tym scenariuszu nie ma fizycznego związku między czarną dziurą a galaktyką macierzystą – to wszystko statystyki.

To kwestia modelu
Aby sprawdzić, które z tych wyjaśnień jest najbardziej prawdopodobne, trzeba połączyć modele z obserwacjami. Nowe badanie prowadzone niedawno przez Xuheng Ding (Uniwersytet Kalifornijski, Los Angeles) miało to zrobić.

Ding i jego współpracownicy najpierw zebrali próbki obserwacyjne 32 akreujących supermasywnych czarnych dziur i ich galaktyk macierzystych. Próbki pochodzą z zakresu przesunięcia ku czerwieni: 1.2 < z < 1.7, czyli okresu w historii naszego Wszechświata, kiedy większość supermasywnych czarnych dziur uzyskała swoją masę.

Następnie autorzy porównali te dane z wynikami dwóch najnowocześniejszych modeli: symulacji hydrodynamicznej, która koncentruje się na sprzężeniu zwrotnym AGN, oraz modelu semianalitycznego, który jest szczególnie czuły na zdarzenia mokrego łączenia się galaktyk.

Połączenie przez sprzężenie zwrotne
Wynik modelowania przeprowadzonego przez autorów – w szczególności ścisłości modelowanej korelacji między czarną dziurą a rozmiarem galaktyki w zależności od przesunięcia ku czerwieni – silnie wspierają mechanizm fizyczny kierujący związkiem, a nie wynikają ze statystyk.

Z tych dwóch modeli symulacja hydrodynamiczna lepiej odwzorowała rozproszenie współzależności, co sugeruje, że sprzężenie zwrotne AGN rzeczywiście może być motorem gwarantującym, że supermasywne czarne dziury rosną w tym samym tempie, co ich galaktyki macierzyste. Obserwacje wyższych przesunięć ku czerwieni – które będą możliwe dzięki przyszłemu teleskopowi JWST – pomogą nam dokładniej wytłumaczyć ten intrygujący związek.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
AAS

Vega

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *