Czarne dziury mogą rosnąć bez wielkich zderzeń galaktyk

Supermasywne czarne dziury nie muszą zawdzięczać swojego wzrostu wyłącznie gwałtownym zderzeniom galaktyk. Nowe badanie danych z przeglądu DESI wskazuje, że mogą skutecznie przyrastać także w galaktykach dyskowych o względnie spokojnej historii ewolucji — takich, które nie mają wyraźnego zgrubienia centralnego gwiazd.

Wynik zmienia akcent w opowieści o wspólnej ewolucji galaktyk i ich centralnych czarnych dziur. Obok widowiskowych fuzji istotną rolę mogą odgrywać znacznie wolniejsze procesy zachodzące wewnątrz samej galaktyki.

Nie tylko kosmiczne zderzenia

W centrach większości dużych galaktyk znajdują się supermasywne czarne dziury — obiekty o masach od milionów do miliardów razy większych od masy Słońca. Astronomowie od dawna wiedzą, że masa centralnej czarnej dziury jest powiązana z właściwościami galaktyki macierzystej, między innymi z jej całkowitą masą gwiazdową, a w wielu przypadkach także z masą zgrubienia centralnego.

Zgrubienie to gęste, mniej lub bardziej kuliste skupisko gwiazd w środkowej części galaktyki. W galaktykach spiralnych, takich jak Droga Mleczna, otaczają je płaski dysk oraz ramiona spiralne. Duże zderzenia galaktyk mogą niszczyć delikatną strukturę dysku i sprzyjać powstawaniu zgrubień, dlatego przez lata uznawano je za ważny mechanizm równoczesnego wzrostu galaktyk i czarnych dziur.

Nie wszystkie galaktyki dyskowe mają jednak wyraźne zgrubienia. To rodzi ważne pytanie: czy centralne czarne dziury mogły osiągnąć obserwowane masy również wtedy, gdy ich galaktyki nie przechodziły przez duże fuzje?

Galaktyki bez zgrubień

Zespół kierowany przez Sophie M. Jewell z Uniwersytetu Oksfordzkiego przeanalizował 2435 galaktyk dyskowych z aktywnymi jądrami galaktyk. W takich układach materia opadająca na centralną czarną dziurę intensywnie promieniuje, co umożliwia oszacowanie masy czarnej dziury na podstawie cech widma. Dane pochodziły z projektu DESI, czyli Dark Energy Spectroscopic Instrument — wielkiego przeglądu spektroskopowego nieba.

Badacze rozdzielili światło każdej galaktyki na składniki: centralne źródło związane z aktywnym jądrem, dysk, poprzeczkę oraz — jeśli występowało — zgrubienie. W ten sposób wytypowali 546 galaktyk bez wyraźnego zgrubienia centralnego.

Brak zgrubienia nie oznacza, że dana galaktyka nigdy nie oddziaływała z innymi. Jest jednak wskazówką, że prawdopodobnie nie przeszła w przeszłości dużej fuzji, która silnie przeobraziłaby jej strukturę. Taka próbka pozwala więc obserwacyjnie sprawdzić, czy czarne dziury mogą rosnąć także bez dominującego udziału wielkich zderzeń.

Masa czarnej dziury a masa galaktyki

Autorzy oszacowali masy czarnych dziur na podstawie szerokich linii emisyjnych wodoru alfa w widmach aktywnych jąder. Następnie porównali te masy z całkowitą masą gwiazd w galaktykach oraz — osobno — z masą ich centralnych zgrubień.

Okazało się, że galaktyki bez zgrubień zachowują podobną zależność między masą centralnej czarnej dziury a całkowitą masą gwiazd jak galaktyki dyskowe ze zgrubieniami. Innymi słowy: czarna dziura może osiągnąć masę typową dla galaktyki o określonej masie gwiazdowej, mimo że jej gospodarz nie nosi wyraźnych śladów dużej fuzji niszczącej dysk.

Inaczej wygląda zestawienie masy czarnej dziury z masą samego zgrubienia. W galaktykach bez wyraźnego zgrubienia czarne dziury są masywniejsze, niż wynikałoby to z niewielkiej masy centralnej koncentracji gwiazd. Wynik ten nie pasuje do prostego scenariusza, w którym to duże fuzje są główną przyczyną wspólnego wzrostu zgrubień i centralnych czarnych dziur.

Powolne zasilanie centrum

Naukowcy wskazują na procesy sekularne, czyli stopniowe zmiany wywoływane przez wewnętrzną dynamikę galaktyki. Poprzeczka — wydłużone zagęszczenie gwiazd przechodzące przez centrum — oraz ramiona spiralne mogą zaburzać ruch gazu i kierować jego część ku środkowi galaktyki.

Gaz docierający do centrum staje się paliwem dla aktywnej czarnej dziury. Nie musi być dostarczony podczas jednego dramatycznego wydarzenia: może napływać stopniowo przez długi czas. W badanej próbce około dwie trzecie galaktyk ma poprzeczki, a zdecydowana większość wykazuje widoczne ramiona spiralne.

Modele zastosowane przez autorów wskazują, że większość badanych czarnych dziur mogła osiągnąć obserwowane masy bez dużych fuzji. Nie znaczy to, że zderzenia galaktyk nie odgrywają roli — w wielu układach zapewne silnie wpływają na ewolucję galaktyk i czarnych dziur. Wyniki pokazują jednak, że nie są warunkiem koniecznym wzrostu znacznej części supermasywnych czarnych dziur.

Wskazówka dla symulacji

Nowe obserwacje stanowią również wyzwanie dla symulacji kosmologicznych. Gdy badacze porównali wyniki z symulacją Horizon-AGN, okazało się, że model ma trudność z odtworzeniem populacji czarnych dziur o stosunkowo niewielkich masach, licznie obecnej w próbce DESI.

Może to oznaczać, że symulacje wymagają dokładniejszego opisu spokojnych mechanizmów transportu gazu w galaktykach dyskowych. Przyszłe obserwacje teleskopów Euclid i Nancy Grace Roman powinny ułatwić wykrywanie słabych, niewielkich zgrubień, a dzięki temu pomóc lepiej ocenić, jak często czarne dziury rosną w galaktykach o spokojnej historii.

Źródła

• Główne źródło naukowe: Jewell, S. M. i in., Galaxy-SMBH co-evolution in 2,435 DESI disk galaxies and merger-free BH growth in bulgeless disks,
• Preprint artykułu,
• Phys.org, Black holes may grow quietly alongside galaxies even without violent mergers,

Opracowanie: Agnieszka Nowak