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Percer le mystère : comment les trous noirs supermassifs deviennent-ils si massifs

SciTechDaily

Une équipe de recherche de Penn State a amélioré notre compréhension de la croissance des trous noirs supermassifs en intégrant des données de rayons X et des simulations de formation de galaxies. Leurs résultats révèlent que la croissance des trous noirs est principalement due à l’accrétion, les fusions jouant un rôle secondaire, en particulier dans l’univers primitif. Ces découvertes contribuent à expliquer la croissance rapide des trous noirs au cours des phases les plus jeunes de l’univers.

Les chercheurs ont combiné des relevés aux rayons X et des simulations sur superordinateur pour suivre 12 milliards d’années de croissance des trous noirs cosmiques.

Leurs conclusions révèlent que trou noir la croissance est principalement tirée par l’accrétion, les fusions jouant un rôle secondaire, en particulier dans les premiers univers. Ces découvertes contribuent à expliquer la croissance rapide des trous noirs au cours des phases les plus jeunes de l’univers.

Comment les trous noirs supermassifs deviennent-ils super massifs ?

En combinant des observations de rayons X de pointe avec des simulations sur ordinateur de pointe de la formation de galaxies au cours de l’histoire cosmique, les chercheurs ont fourni la meilleure modélisation à ce jour de la croissance des trous noirs supermassifs trouvés au centre des galaxies. En utilisant cette approche hybride, une équipe de recherche dirigée par des astronomes de Penn State a dressé un tableau complet de la croissance des trous noirs sur 12 milliards d'années, depuis les débuts de l'Univers, âgé d'environ 1,8 milliard d'années, jusqu'à aujourd'hui, âgé de 13,8 milliards d'années.

La recherche comprend deux articles, l'un publié dans Le Journal d'astrophysique en avril 2024, et un encore inédit qui sera soumis à la même revue. Les résultats seront présentés lors de la 244e réunion de l'American Astronomical Society, qui se tiendra du 9 au 13 juin au Monona Terrace Convention Center à Madison, Wisconsin. Les résultats ont été présentés lors d’une conférence de presse retransmise en direct et peut être visionnée dès maintenant :

Mécanismes de croissance des trous noirs supermassifs

« Les trous noirs supermassifs au centre des galaxies ont une masse de millions à milliards de fois supérieure à celle du Soleil », a déclaré Fan Zou, étudiant diplômé de Penn State et premier auteur des articles. « Comment deviennent-ils de tels monstres ? C’est une question que les astronomes étudient depuis des décennies, mais il a été difficile de suivre toutes les façons dont les trous noirs peuvent se développer de manière fiable. »

Les trous noirs supermassifs se développent grâce à une combinaison de deux canaux principaux. Ils consomment le gaz froid de leur galaxie hôte – un processus appelé accrétion – et peuvent fusionner avec d’autres trous noirs supermassifs lorsque les galaxies entrent en collision.

Sources de données et mesure de l'accrétion

« Pendant le processus de consommation du gaz de leurs galaxies hôtes, les trous noirs émettent de puissants rayons X, et c'est la clé pour suivre leur croissance par accrétion », a déclaré W. Niel Brandt, professeur d'astronomie et d'astrophysique à la chaire de la famille Eberly et professeur d'astrophysique. physique à Penn State et chef de l'équipe de recherche. « Nous avons mesuré la croissance induite par l'accrétion à l'aide des données d'étude du ciel à rayons X accumulées sur plus de 20 ans par trois des installations à rayons X les plus puissantes jamais lancées dans l'espace. »

L'équipe de recherche a utilisé des données complémentaires de NASAl'Observatoire à rayons X Chandra de Agence spatiale européennede la Mission multi-miroirs à rayons X-Newton (XMM-Newton) et du télescope eROSITA de l'Institut Max Planck de physique extraterrestre. Au total, ils ont mesuré la croissance induite par l’accrétion dans un échantillon de 1,3 million de galaxies contenant plus de 8 000 trous noirs à croissance rapide.

Croissance supermassive d’un trou noir

Les chercheurs ont fourni la meilleure modélisation à ce jour de la croissance des trous noirs supermassifs trouvés au centre des galaxies en combinant les observations en rayons X des installations à rayons X les plus puissantes jamais lancées dans l'espace avec des simulations par superordinateur de la formation de galaxies au-dessus de l'espace. histoire. À gauche se trouve une image combinant des observations aux rayons X (bleu) et optiques (rouge, vert et bleu) et à droite la densité de colonne de gaz simulée à partir de simulations cosmologiques utilisant IllustrisTNG. L'émission de rayons X observée provient principalement de l'accrétion de trous noirs supermassifs, comme le montre l'illustration de l'artiste (encadré). La longueur du côté court de la figure couvre la même taille apparente que la pleine Lune dans le ciel. Crédit : F. Zou (Penn State) et al. ; Observations : la collaboration XMM-SERVS ; Simulations : la collaboration TNG ; Illustration : Nahks TrEhnl (Penn State)

« Toutes les galaxies et les trous noirs de notre échantillon sont très bien caractérisés à plusieurs longueurs d'onde, avec de superbes mesures dans les bandes infrarouge, optique, ultraviolette et X », a déclaré Zou. « Cela permet de tirer des conclusions solides et les données montrent qu’à toutes les époques cosmiques, les galaxies les plus massives ont développé leurs trous noirs par accrétion plus rapidement. Grâce à la qualité des données, nous avons pu quantifier ce phénomène important bien mieux que lors des travaux antérieurs.

Fusions et croissance simulée

La deuxième façon dont les trous noirs supermassifs se développent est la fusion, où deux trous noirs supermassifs entrent en collision et fusionnent pour former un seul trou noir, encore plus massif. Pour suivre la croissance par fusion, l'équipe a utilisé IllustrisTNG, un ensemble de simulations sur superordinateur qui modélisent la formation, l'évolution et la fusion des galaxies peu après la création de galaxies. Big Bang jusqu'au présent.

« Dans notre approche hybride, nous combinons la croissance observée par accrétion avec la croissance simulée par fusion pour reproduire l'historique de croissance des trous noirs supermassifs », a déclaré Brandt. « Avec cette nouvelle approche, nous pensons avoir produit l'image la plus réaliste de la croissance des trous noirs supermassifs jusqu'à nos jours. »

Impact et modèles de croissance historiques

Les chercheurs ont découvert que, dans la plupart des cas, l’accrétion dominait la croissance des trous noirs. Les fusions ont apporté des contributions secondaires notables, en particulier au cours des 5 derniers milliards d’années du temps cosmique, pour les trous noirs les plus massifs. Dans l’ensemble, les trous noirs supermassifs de toutes masses se sont développés beaucoup plus rapidement lorsque l’Univers était plus jeune. Pour cette raison, le nombre total de trous noirs supermassifs a presque disparu il y a 7 milliards d’années, alors qu’auparavant dans l’Univers, de nombreux nouveaux trous continuaient d’émerger.

« Grâce à notre approche, nous pouvons suivre la manière dont les trous noirs centraux de l'univers local se sont probablement développés au fil du temps cosmique », a déclaré Zou. « A titre d’exemple, nous avons considéré la croissance du trou noir supermassif au centre de notre planète. voie Lactée Galaxie, qui a une masse de 4 millions de masses solaires. Nos résultats indiquent que le trou noir de notre Galaxie s’est probablement développé relativement tard dans le temps cosmique.

En plus de Zou et Brandt, l'équipe de recherche comprend Zhibo Yu, étudiant diplômé à Penn State ; Hyungsuk Tak, professeur adjoint de statistiques et d'astronomie et d'astrophysique à Penn State ; Elena Gallo de l'Université du Michigan ; Bin Luo de l'Université de Nanjing en Chine ; Qingling Ni à l'Institut Max Planck de physique extraterrestre en Allemagne ; Yongquan Xue de l'Université des sciences et technologies de Chine ; et Guang Yang à l'Université de Groningen aux Pays-Bas.

Le financement de la National Science Foundation des États-Unis, du Chandra X-ray Center et de Penn State a soutenu ce travail. Le travail a également été rendu possible grâce au partage des IllustrisTNG résultats de simulation avec la communauté scientifique.

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