Эволюция черных дыр и галактик: симуляции раскрывают новые детали

Международная группа астрофизиков использовала две крупные космологические симуляции — ASTRID и TNG300 — чтобы отследить эволюцию массивных черных дыр и их галактик от эпохи космического полудня (z=2, примерно 10 млрд лет назад) до z=0,5 (около 5 млрд лет назад). В общей сложности симуляции охватили 5,3 млрд лет сборки галактик.

В отличие от большинства предыдущих работ, исследователи следили за самими черными дырами, а не за их изначальными галактиками-хозяевами. Это позволило учесть три популяции: центральные черные дыры в главных галактиках, черные дыры в галактиках-спутниках и блуждающие черные дыры, покинувшие свои родные галактики.

Основной результат: центральные черные дыры в обеих симуляциях эволюционируют вдоль относительно узкой зависимости между массой черной дыры и звездной массой галактики (M_BH-M*). Эта зависимость почти не меняется с красным смещением и хорошо согласуется как с локальными наблюдениями, так и с данными по активным ядрам галактик на сопоставимых красных смещениях.

Отклонения от этой линии указывают на различные эволюционные пути. У массивных центральных черных дыр рост происходит в основном за счет слияний, после чего они запускают кинетическую обратную связь, подавляющую звездообразование в галактике. Приливное разрушение отрывает от спутников часть звезд, смещая их вниз по шкале звездной массы при почти неизменной массе черной дыры — так возникают перемассивные центральные черные дыры в бедных газом системах.

Симуляция ASTRID показала, что аккреция на спутниках и неэффективное динамическое трение порождают блуждающие черные дыры, которые оказываются недомассивными по сравнению с новыми галактиками-хозяевами. Они практически не аккрецируют вещество и не растут за счет слияний.

Эти три популяции занимают характерные области на плоскости M_BH-M* и на плоскости удельная аккреция — удельный темп звездообразования. По словам авторов, положение черной дыры в этих координатах является ископаемой записью ее динамической, аккреционной и обратносвязной истории.

Работа опубликована в репозитории arXiv (номер 2607.07793) и представляет интерес для понимания совместной эволюции галактик и их центральных объектов.