Kombine X-ışını araştırmaları ve süper bilgisayar simülasyonları, 12 milyar yıllık kozmik kara delik büyümesini izliyor

Araştırmacılar, kozmik tarih boyunca galaksilerin oluşumuna ilişkin ön düzey X-ışını gözlemlerini son teknoloji ürünü süper bilgisayar simülasyonlarıyla birleştirerek, galaksilerin merkezlerinde bulunan süper kütleli kara deliklerin büyümesine ilişkin bugüne kadarki en iyi modellemeyi sağladılar. Penn Eyaleti gökbilimcileri tarafından yönetilen bir araştırma ekibi, bu hibrit yaklaşımı kullanarak, evrenin yaklaşık 1,8 milyar yaşındaki başlangıç ​​aşamasından 13,8 milyar yıl olana kadar, 12 milyar yıllık kara delik büyümesinin tam bir resmini elde etti.

Araştırmayı iki makale oluşturmaktadır, biri yayınlandı içinde Astrofizik Dergisive henüz yayınlanmamış bir tanesi aynı dergiye gönderilecek. Sonuçlar toplantıda sunulacak Amerikan Astronomi Topluluğu’nun 244. toplantısı9-13 Haziran tarihleri ​​arasında Madison, Wisconsin’deki Monona Terrace Kongre Merkezi’nde düzenlendi.

Penn State’de yüksek lisans öğrencisi ve makalelerin ilk yazarı Fan Zou, “Galaksi merkezlerindeki süper kütleli kara delikler, güneşin milyonlarca ila milyarlarca katı kütleye sahiptir” dedi. “Nasıl böyle canavarlara dönüşüyorlar? Bu, gökbilimcilerin onlarca yıldır üzerinde çalıştığı bir soru, ancak kara deliklerin güvenilir bir şekilde büyüyebileceği tüm yolları takip etmek zor.”

Süper kütleli kara delikler iki ana kanalın birleşimi yoluyla büyür. Ev sahibi galaksiden gelen soğuk gazı tüketirler (birikme adı verilen bir süreç) ve galaksiler çarpıştığında diğer süper kütleli kara deliklerle birleşebilirler.

Eberly Ailesi Astronomi ve Astrofizik Kürsüsü Profesörü ve Astronomi Profesörü W. Niel Brandt, “Barındırdıkları galaksilerden gaz tüketme süreci sırasında, kara delikler güçlü X-ışınları yayarlar ve bu onların büyümelerini büyüme yoluyla izlemenin anahtarıdır” dedi. Penn State’de fizik ve araştırma ekibinin lideri. “Yığılma kaynaklı büyümeyi, şimdiye kadar uzaya fırlatılan en güçlü üç X-ışını tesisinden 20 yılı aşkın bir süre boyunca biriken X-ışını gökyüzü araştırması verilerini kullanarak ölçtük.”

Araştırma ekibi, NASA’nın Chandra X-ışını Gözlemevi’nden, Avrupa Uzay Ajansı’nın X-ışını Çoklu Ayna Misyonu-Newton’dan (XMM-Newton) ve Max Planck Dünya Dışı Fizik Enstitüsü’nün eROSITA teleskopundan tamamlayıcı verileri kullandı. Toplamda, 8.000’den fazla hızla büyüyen kara delik içeren 1,3 milyon galaksiden oluşan bir örnekte birikime dayalı büyümeyi ölçtüler.

Zou, “Örneğimizdeki tüm galaksiler ve kara delikler, kızılötesi, optik, ultraviyole ve X-ışını bantlarında mükemmel ölçümlerle, çoklu dalga boylarında çok iyi karakterize edilmiştir” dedi. “Bu, sağlam sonuçlara varılmasına olanak sağlıyor ve veriler, tüm kozmik çağlarda, daha büyük galaksilerin kara deliklerini birikim yoluyla daha hızlı büyüttüğünü gösteriyor. Verilerin kalitesiyle, bu önemli olguyu geçmiş çalışmalara göre çok daha iyi ölçebildik. “

Süper kütleli kara deliklerin büyümesinin ikinci yolu, iki süper kütleli kara deliğin çarpıştığı ve bir araya gelerek tek, hatta daha büyük bir kara delik oluşturduğu birleşmelerdir. Ekip, birleşme yoluyla büyümeyi izlemek için galaksi oluşumunu, evrimini ve Büyük Patlama’dan kısa bir süre sonra günümüze kadar olan birleşmeyi modelleyen bir dizi süper bilgisayar simülasyonu olan IllustrisTNG’yi kullandı.

Brandt, “Hibrit yaklaşımımızda, süper kütleli kara deliklerin büyüme geçmişini yeniden oluşturmak için, birikim yoluyla gözlemlenen büyümeyi, birleşme yoluyla simüle edilmiş büyüme ile birleştiriyoruz” dedi. “Bu yeni yaklaşımla, süper kütleli kara deliklerin günümüze kadarki büyümesinin en gerçekçi resmini ürettiğimize inanıyoruz.”

Araştırmacılar çoğu durumda kara delik büyümesine yığılmanın hakim olduğunu buldu. Birleşmeler, özellikle son 5 milyar yıllık kozmik zaman içerisinde en büyük kara delikler için dikkate değer ikincil katkılarda bulundu. Genel olarak, tüm kütlelerdeki süper kütleli kara delikler, evren gençken çok daha hızlı büyüdü. Bu nedenle, süper kütleli kara deliklerin toplam sayısı neredeyse 7 milyar yıl önce belirlenmişken, evrenin daha önceki dönemlerinde birçok yeni kara delik ortaya çıkmaya devam ediyordu.

Zou, “Yaklaşımımızla, yerel evrendeki merkezi kara deliklerin büyük olasılıkla kozmik zaman içinde nasıl büyüdüğünü takip edebiliriz” dedi. “Örnek olarak, 4 milyon güneş kütlesi kütlesine sahip olan Samanyolu galaksimizin merkezindeki süper kütleli kara deliğin büyümesini ele aldık. Sonuçlarımız, galaksimizin kara deliğinin büyük olasılıkla kozmik zamanda nispeten geç büyüdüğünü gösteriyor. “

Araştırma ekibinde Zou ve Brandt’ın yanı sıra Penn State’de yüksek lisans öğrencisi Zhibo Yu; Penn State’de istatistik, astronomi ve astrofizik alanında yardımcı doçent olan Hyungsuk Tak; Michigan Üniversitesi’nden Elena Gallo; Çin’deki Nanjing Üniversitesi’nden Bin Luo; Almanya’daki Max Planck Dünya Dışı Fizik Enstitüsü’nden Qingling Ni; Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Yongquan Xue; ve Hollanda’daki Groningen Üniversitesi’nden Guang Yang.