UNIVERSITY PARK, Pennsylvania – Combinando osservazioni pionieristiche nei raggi X con simulazioni computerizzate all’avanguardia dell’accrescimento delle galassie nel corso della storia cosmica, i ricercatori hanno fornito il miglior modello finora disponibile della crescita dei buchi neri supermassicci trovati nelle galassie. Centri galattici. Utilizzando questo approccio ibrido, un gruppo di ricerca guidato da astronomi della Penn State ha estratto un quadro completo della crescita del buco nero nell’arco di 12 miliardi di anni, dall’infanzia dell’universo avvenuta circa 1,8 miliardi di anni fa fino all’età di 13,8 miliardi di anni oggi.
La ricerca comprende due documenti: Uno pubblicato su The Astrophysical Journal nell’aprile 2024Uno non è stato ancora pubblicato e sarà sottoposto alla stessa rivista. I risultati saranno presentati al 244° meeting dell’American Astronomical Society, che si terrà dal 9 al 13 giugno presso il Monona Terrace Convention Center a Madison, Wisconsin. I risultati verranno presentati anche nel corso di a La conferenza stampa sarà trasmessa in diretta Martedì 11 giugno dalle 14:15 alle 15:15 CST.
“I buchi neri supermassicci al centro delle galassie hanno una massa da milioni a miliardi di volte quella del Sole”, ha detto Fan Zhou, uno studente laureato della Penn State e primo autore della ricerca. “Come fanno a diventare dei mostri del genere? Questa è una domanda che gli astronomi studiano da decenni, ma è difficile tracciare in modo affidabile tutti i modi in cui i buchi neri possono crescere.”
I buchi neri supermassicci crescono attraverso una combinazione di due canali principali. Consumano gas freddo dalla galassia ospite – un processo chiamato accrescimento – e possono fondersi con altri buchi neri supermassicci quando le galassie si scontrano.
“Nel processo di consumo del gas dalle galassie che li ospitano, i buchi neri emettono potenti emissioni Fisico della Penn State e leader del gruppo di ricerca. “Abbiamo misurato la crescita indotta dall’accrescimento utilizzando i dati di rilevamento del cielo a raggi X accumulati in più di 20 anni da tre delle più potenti strutture a raggi X mai lanciate nello spazio”.
Il gruppo di ricerca ha utilizzato dati complementari provenienti dall’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA, dell’Agenzia spaziale europea In totale, hanno misurato la crescita indotta dall’accrescimento in un campione di 1,3 milioni di galassie contenenti più di 8.000 buchi neri in rapida crescita.
“Tutte le galassie e i buchi neri nel nostro campione sono estremamente ben caratterizzati a più lunghezze d’onda, con misurazioni squisite nelle bande dell’infrarosso, dell’ottico, dell’ultravioletto e dei raggi X”, ha detto Zhou. “Ciò consente di trarre conclusioni forti e i dati mostrano che in tutte le epoche cosmiche, le galassie più massicce hanno fatto crescere i loro buchi neri per accrescimento più velocemente. Grazie alla qualità dei dati, siamo stati in grado di misurare questo importante fenomeno molto meglio che in passato lavoro precedente.”
Il secondo modo in cui crescono i buchi neri supermassicci è attraverso le fusioni, dove due buchi neri supermassicci si scontrano e si fondono insieme per formare un unico buco nero più massiccio. Per monitorare la crescita dovuta alle fusioni, il team ha utilizzato IllustrisTNG, una serie di gigantesche simulazioni al computer che modellano la formazione, l’evoluzione e la fusione delle galassie da poco dopo il Big Bang ad oggi.
“Nel nostro approccio ibrido, combiniamo la crescita osservata tramite accrescimento e la crescita simulata tramite fusioni per riprodurre la storia della crescita dei buchi neri supermassicci”, ha affermato Brandt. “Con questo nuovo approccio, crediamo di aver prodotto l’immagine più realistica della crescita dei buchi neri supermassicci fino ad oggi”.
I ricercatori hanno scoperto che nella maggior parte dei casi l’accrescimento domina la crescita del buco nero. Le fusioni hanno dato notevoli contributi secondari, soprattutto negli ultimi cinque miliardi di anni di tempo cosmico per i buchi neri più massicci. In generale, i buchi neri supermassicci di qualsiasi massa sono cresciuti più rapidamente quando l’universo era più giovane. Per questo motivo, il numero totale dei buchi neri supermassicci si è sostanzialmente stabilizzato 7 miliardi di anni fa, mentre molti nuovi buchi neri hanno continuato ad apparire prima nell’universo.
“Con il nostro approccio, possiamo monitorare come i buchi neri centrali nell’universo locale crescono nel tempo cosmico”, ha detto Zhou. “Ad esempio, abbiamo considerato la crescita del buco nero supermassiccio al centro della nostra Via Lattea, che ha una massa di 4 milioni di masse solari. I nostri risultati indicano che il buco nero nella nostra galassia probabilmente è cresciuto relativamente tardi nel tempo cosmico. “
Oltre a Zhou e Brandt, il gruppo di ricerca comprende Zibo Yu, uno studente laureato alla Penn State; Hyungsuk Tak, assistente professore di statistica, astronomia e astrofisica alla Penn State; Elena Gallo presso l’Università del Michigan; Bin Luo all’Università di Nanchino in Cina; Qingling Ni presso l’Istituto Max Planck per la fisica extraterrestre in Germania; Yongquan Xue presso l’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina; e Guang Yang presso l’Università di Groningen nei Paesi Bassi.
Questo lavoro è stato sostenuto dai finanziamenti della National Science Foundation degli Stati Uniti, del Chandra X-Ray Center e dello Stato della Pennsylvania. Questo lavoro è stato reso possibile anche grazie alla condivisione dei risultati della simulazione IllustrisTNG con la comunità scientifica.
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