Блуждающие чёрные дыры в симуляциях: четыре пути роста вместе с галактиками
Команда Эммы Джейн Уэллер сравнила две космологические симуляции и разделила чёрные дыры на четыре группы по тому, как они росли вместе со своими галактиками или расходились с ними в эволюции.
Масса сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики обычно тесно связана с суммарной массой её звёзд: чем крупнее галактика, тем тяжелее дыра. На этой зависимости во многом держится представление о совместной эволюции галактик и их центральных дыр. После того как телескоп «Уэбб» стал находить в ранней Вселенной неожиданно массивные чёрные дыры, астрономы спорят, сохранялась ли эта связь на протяжении всей космической истории. Команда Эммы Джейн Уэллер из Йельского университета в статье в The Astrophysical Journal рассмотрела центральные дыры, центральные дыры галактик-спутников и так называемые блуждающие чёрные дыры.
Блуждающая дыра появляется, когда небольшая галактика-спутник сливается с крупной. Приливные силы срывают со спутника газ и звёзды, а его центральная дыра часто остаётся на широкой орбите внутри новой галактики. Динамическое трение, которое должно утянуть её к центру, действует очень медленно, и такая дыра может миллиарды лет кружить по окраинам.
Две модели, разные правила
Авторы сравнили две космологические симуляции. В TNG300 чёрные дыры с самого начала довольно массивны и на каждом шаге расчёта принудительно переносятся в центр своей галактики. Слияния там происходят быстро и часто, а блуждающих дыр нет совсем. ASTRID начинает с более лёгких «зародышей» и описывает их движение с помощью субсеточной модели динамического трения, поэтому блуждающие дыры в ней существуют. На срезах 8 и 5 млрд лет назад в ASTRID видны группы дыр, которые не следуют обычной линейной зависимости. В TNG300 у самых массивных дыр примерно 80–90% роста пришлось на слияния.
По положению на графике «масса дыры — звёздная масса» и по истории роста авторы выделяют четыре группы:
- обычные центральные дыры растут вместе с галактикой за счёт аккреции газа и эпизодических слияний, в их галактиках продолжают рождаться звёзды;
- массивные центральные дыры крупных галактик растут преимущественно через слияния, а их джеты выдувают газ и останавливают звездообразование и свой дальнейший рост;
- дыры «ободранных» спутников оказываются слишком тяжёлыми для галактики, потерявшей газ и звёзды, и почти перестают расти;
- блуждающие дыры остаются в разреженной среде, где мало газа и почти нет шансов на слияние, поэтому их рост фактически прекращается.