Астрофизики выяснили, как черные дыры распределены в галактиках: результаты симуляции ASTRID

Международная группа астрофизиков представила результаты анализа чёрных дыр в симуляции ASTRID — одной из крупнейших космологических гидродинамических моделей формирования галактик. Учёные измерили так называемую долю заселённости чёрных дыр (black hole occupation fraction, BHOF) — долю галактик, содержащих сверхмассивные чёрные дыры, в зависимости от их массы, красного смещения и положения.

Симуляция ASTRID отслеживает эволюцию галактик от z=5 до z=0 (то есть примерно через 1 млрд лет после Большого взрыва до наших дней) в диапазоне звёздных масс от 10 миллионов до триллиона масс Солнца. В ходе моделирования учитывались процессы зародышеобразования чёрных дыр, их роста, слияний и динамического взаимодействия с галактиками.

Главный результат: полная BHOF для всей популяции галактик остаётся близкой к единице во всех массовых диапазонах и эпохах. Это означает, что практически каждая достаточно массивная галактика содержит сверхмассивную чёрную дыру — что подтверждает эффективность механизмов зародышеобразования.

Однако картина меняется при разделении чёрных дыр по их положению. Доля галактик с центральной чёрной дырой (в ядре) уменьшается со временем для маломассивных галактик. Одновременно растёт доля галактик с блуждающей чёрной дырой — то есть такой, которая была выброшена из центра в результате слияний или динамических взаимодействий. К настоящему моменту у маломассивных галактик, активно формирующих звёзды, блуждающие чёрные дыры встречаются чаще центральных.

Особый интерес представляет влияние механизма зарождения. Если рассматривать только потомков «тяжёлых» зародышей (с массой порядка 10 тысяч масс Солнца), то BHOF для маломассивных галактик резко падает. Это указывает на то, что большая часть чёрных дыр в таких галактиках происходит от лёгких зародышей. В то же время выборки только активных чёрных дыр (наблюдаемых как активные ядра галактик, АЯГ) дают значительно меньшую BHOF во всех массах — это демонстрирует, что обзоры АЯГ отражают не столько истинную распространённость чёрных дыр, сколько их циклы активности (duty cycle).

Также обнаружено влияние окружения: в современной Вселенной центральные галактики (наиболее массивные в скоплении) имеют более высокую BHOF, чем спутниковые галактики. Это связывают с разной историей слияний и аккреции газа. Авторы подчёркивают, что BHOF, разложенный по положению чёрной дыры, истории зародышеобразования, состоянию аккреции и крупномасштабному окружению, представляет собой богатую «ископаемую летопись» происхождения и эволюции сверхмассивных чёрных дыр.

Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv и в перспективе может быть использовано для интерпретации данных будущих гравитационно-волновых и рентгеновских обсерваторий, которые будут обнаруживать блуждающие чёрные дыры и вспышки от их слияний.