Sort hulstørrelse afsløret af dets spisemønster

Sorte hullers fødemønstre giver indsigt i deres størrelse, rapporterer forskere. En ny undersøgelse afslørede, at flimren i lysstyrken observeret ved aktiv fodring af supermassive sorte huller er relateret til deres masse.

Supermassive sorte huller er millioner til milliarder af gange mere massive end solen og befinder sig normalt i centrum af massive galakser. Når de er i dvale og ikke lever af gas og stjerner, der omgiver dem, SMBH'er udsender meget lidt lys; den eneste måde, astronomer kan opdage dem, er gennem deres gravitationspåvirkninger på stjerner og gas i deres nærhed. Imidlertid, i det tidlige univers, da SMBH'er voksede hurtigt, de tilførte aktivt - eller ophobede - materialer med intensive hastigheder og udsendte en enorm mængde stråling - nogle gange overstrålede de hele galaksen, hvor de bor, sagde forskerne.

Den nye undersøgelse, ledet af University of Illinois Urbana-Champaign astronomi kandidatstuderende Colin Burke og professor Yue Shen, afslørede et endegyldigt forhold mellem massen af ​​aktivt fodrende SMBH'er og den karakteristiske tidsskala i det lys-flimrende mønster. Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

Det observerede lys fra en tiltagende SMBH er ikke konstant. På grund af fysiske processer, der endnu ikke er forstået, den viser en allestedsnærværende flimren over tidsskalaer, der spænder fra timer til årtier. "Der har været mange undersøgelser, der undersøgte mulige relationer mellem den observerede flimren og massen af ​​SMBH, men resultaterne har været uendelige og nogle gange kontroversielle, " sagde Burke.

Holdet kompilerede et stort datasæt af aktivt fodring af SMBH'er for at studere variabilitetsmønstret for flimring. De identificerede en karakteristisk tidsskala, hvor mønsteret ændres, der stramt korrelerer med massen af ​​SMBH. Forskerne sammenlignede derefter resultaterne med tiltagende hvide dværge, resterne af stjerner som vores sol, og fandt ud af, at den samme tidsskala-masse-relation gælder, selvom hvide dværge er millioner til milliarder gange mindre massive end SMBH'er.

Lysflimmerne er tilfældige udsving i et sort huls fødeproces, sagde forskerne. Astronomer kan kvantificere dette flimrende mønster ved at måle styrken af ​​variabiliteten som funktion af tidsskalaer. Til akkreditering af SMBH'er, variabilitetsmønstret skifter fra korte tidsskalaer til lange tidsskalaer. Denne overgang af variabilitetsmønster sker på en karakteristisk tidsskala, der er længere for mere massive sorte huller.

Holdet sammenlignede fodring med sort hul med vores spise- eller drikkeaktivitet ved at sidestille denne overgang med en menneskelig bøvs. Babyer bøvser ofte, mens de drikker mælk, mens voksne kan holde i bøvsen i længere tid. Sorte huller gør på en måde det samme under fodring, de sagde.

"Disse resultater tyder på, at de processer, der driver flimren under tilvækst, er universelle, om det centrale objekt er et supermassivt sort hul eller en meget mere let hvid dværg, " sagde Shen.

"Den faste etablering af en forbindelse mellem det observerede lysflimmer og akkretorens grundlæggende egenskaber vil helt sikkert hjælpe os med bedre at forstå akkretionsprocesser, " sagde Yan-Fei Jiang, en forsker ved Flatiron Institute og studie medforfatter.

Astrofysiske sorte huller findes i et bredt spektrum af masse og størrelse. Mellem befolkningen af ​​sorte huller med stjernemasse, som vejer mindre end flere titusinder gange solens masse, og SMBH'er, der er en population af sorte huller kaldet sorte huller med mellemmasse, der vejer mellem omkring 100 og 100, 000 gange solens masse.

IMBH'er forventes at dannes i stort antal gennem universets historie, og de kan give de frø, der er nødvendige for at vokse til SMBH'er senere. Imidlertid, observationsmæssigt er denne population af IMBH'er overraskende undvigende. Der er kun én indiskutabelt bekræftet IMBH, der vejer omkring 150 gange solens masse. Men at IMBH blev serendipitalt opdaget af gravitationsbølgestrålingen fra sammensmeltningen af ​​to mindre massive sorte huller.

"Nu hvor der er en sammenhæng mellem det flimrende mønster og massen af ​​det centrale akkreterende objekt, vi kan bruge det til at forudsige, hvordan det flimrende signal fra en IMBH kan se ud, " sagde Burke.

Astronomer verden over venter på det officielle kickoff af en æra med massive undersøgelser, der overvåger den dynamiske og variable himmel. Vera C. Rubin-observatoriet i Chile's Legacy Survey of Space and Time vil undersøge himlen over et årti og indsamle lysflimrende data for milliarder af objekter, starter i slutningen af ​​2023.

"At udvinde LSST-datasættet for at søge efter flimrende mønstre, der er i overensstemmelse med accreting IMBH'er, har potentialet til at opdage og fuldt ud forstå denne længe søgte mystiske population af sorte huller, " sagde medforfatter Xin Liu, en astronomiprofessor ved U. of I.

Denne undersøgelse er et samarbejde med astronomi- og fysikprofessor Charles Gammie og astronomi-postdoc-forsker Qian Yang, Illinois Center for Advanced Study of the Universe, og forskere ved University of California, Santa Barbara; University of St. Andrews, U.K.; Flatiron Institute; University of Southampton, U.K.; United States Naval Academy; og University of Durham, U.K.

Burke, Shen og Liu er også tilknyttet Center for Astrophysical Surveys ved National Center for Supercomputing Applications i Illinois.