Astronomia

Come sappiamo che i buchi neri supermassicci possono guadagnare massa con mezzi diversi dalla fusione con altri buchi neri supermassicci?

Come sappiamo che i buchi neri supermassicci possono guadagnare massa con mezzi diversi dalla fusione con altri buchi neri supermassicci?

Mi sono appena imbattuto nella seguente risposta "aggiornamento" del 2013:

Questo appena entrato, recenti osservazioni hanno escluso la possibilità che le SMBH guadagnino massa solo attraverso la fusione con altri buchi neri. Per ulteriori informazioni, vedere questo articolo di Astronomy.com.

Domanda: Come sappiamo che i buchi neri supermassicci possono guadagnare massa con mezzi diversi dalla fusione con altri buchi neri supermassicci? Non riesco a capirlo dall'articolo collegato di Astronomy.com. In effetti riesco a malapena a leggerlo dietro tutte le pubblicità lampeggianti che ora mostra (e probabilmente non lo faceva nel 2013)


Potenzialmente correlati:


L'idea alla base del documento (Shannon et al. 2013) su cui si basa l'articolo è misurare lo sfondo delle onde gravitazionali (GWB) prodotto da fusioni di buchi neri supermassicci e determinare quali modelli di storie di fusione SMBH possono replicare la popolazione SMBH e la lo sfondo dell'onda gravitazionale corrispondente. In questo articolo, la misurazione del GWB viene eseguita utilizzando la temporizzazione delle pulsar, in particolare utilizzando il Parkes Pulsar Timing Array e alcuni dati supplementari provenienti da Arecibo. Un pulsar timing array (PTA) rileva (o tenta di rilevare - non abbiamo ancora nulla di definito) le onde gravitazionali misurando quando i singoli impulsi delle pulsar arrivano ai radiotelescopi. Le onde gravitazionali dovrebbero cambiare i tempi di arrivo (TOA), quindi se hai abbastanza TOA da una selezione di pulsar millisecondi, puoi limitare l'ampiezza dello spettro GWB $A$ e la sua densità di energia associata $Omega_{ ext{GW}}$.

Gli autori hanno applicato la suddetta metodologia e poi hanno considerato quattro diversi modelli di sintesi della popolazione SMBH per cercare di replicare i risultati osservativi. Quello che ha coinvolto la crescita di massa interamente attraverso fusioni buco nero-buco nero a bassi spostamenti verso il rosso è stato escluso al livello di confidenza del 91% dalle misurazioni dell'array di temporizzazione della pulsar, mentre gli altri sono stati più favoriti. Questi altri modelli generalmente includevano SMBH che crescevano per accrescimento di gas. Nessuno è chiaramente favorito, ma gli autori sono stati in grado di escludere regioni sostanziali dello spazio dei parametri, e questi tre modelli sono stati sicuramente favoriti più del modello di fusione buco nero-buco nero puro.

Voglio sottolineare qualcosa qui che non è stato sottolineato nell'articolo: quel modello di fusione è focalizzato sulla crescita di SMBH a redshift bassi, e in particolare sull'evoluzione della popolazione SMBH a $z<1$. Perché? È perché è da qui che dovrebbe provenire la componente dominante del GWB che rileviamo oggi (vedi ad esempio McWilliams et al. 2013), quindi è molto più facile dire qualcosa sulle popolazioni a basso redshift sulla base dei dati PTA. Questo è anche il motivo per cui il gruppo è interessato a come gli altri modelli si comportano a bassi redshift per fare cose come replicare la funzione di luminosità del quasar a $z<1$.

Mi sento di dire che il modello di pura fusione è stato del tutto "escluso" è forse un po' forte; fortunatamente, gli array di temporizzazione delle pulsar hanno fatto grandi progressi dal 2013, e abbiamo limiti più severi su $A$ e una migliore comprensione delle popolazioni SMBH. Il documento del 2013 utilizzava solo 20 pulsar, ma le PTA hanno facilmente più che raddoppiato quel numero nel frattempo, e questo numero non farà che aumentare negli anni a venire. Allo stesso tempo, gli altri modelli sono sicuramente fortemente preferiti. Posso verificare se questa particolare analisi è stata replicata con dati più recenti.


Sappiamo che i buchi neri possono guadagnare massa oltre a fondersi con altri buchi neri perché vediamo quasar ad alto redshift.

La luminosità dei quasar è causata dall'accrescimento di massa nei loro buchi neri centrali.

Non c'è dubbio che i buchi neri supermassicci guadagnino massa in modi diversi dalla fusione con altri buchi neri, perché altrimenti non saremmo in grado di osservarli.

La domanda principale è come alcuni di loro possano diventare così grandi così velocemente - cioè perché possiamo vedere quasar luminosi oltre $z=6$.

Questo non è ancora risolto. Le fusioni, la formazione di buchi neri di "seme" di massa intermedia e le modalità di accrescimento che eludono l'ingenuo limite di Eddington sono tutte ancora possibili afaik.


tl; dr: Uno studio ha riportato una possibile (in)varianza di scala di un evento di interruzione delle maree o TDE.


I buchi neri grandi e piccoli di Axios si alimentano allo stesso modo ha recentemente assunto questa domanda.

Cosa hanno scoperto: lo studio (Rapid accretion state transizioni dopo l'evento di interruzione della marea AT2018fyk) sull'Astrophysical Journal suggerisce che tutti i buchi neri attraversano un ciclo simile quando si alimentano, sia che siano circa 10 volte la massa del nostro Sole o un buco nero supermassiccio a il centro di una galassia.

  • Gli scienziati sanno che quando buchi neri relativamente piccoli ricevono una grande quantità di gas o polvere, si spostano in una fase in cui l'oggetto si alimenta da un disco che circonda il buco nero, chiamato disco di accrescimento.
  • Quando il disco collassa, l'area intorno al buco nero può brillare intensamente ai raggi X, e questo alla fine lascia il posto all'oggetto che diventa di nuovo silenzioso. Tutto questo accade nel corso di poche settimane o mesi.
  • I ricercatori pensavano che questo processo avrebbe richiesto troppo tempo per osservare l'intera faccenda con un buco nero supermassiccio, ma il nuovo studio ha scoperto che l'alimentazione può accelerare se il buco nero riceve un pasto abbondante tutto in una volta, come quando fa a pezzi una stella .

Come lo hanno fatto: I ricercatori dietro il nuovo studio hanno osservato un buco nero supermassiccio a 860 milioni di anni luce di distanza che ha divorato una stella nel 2018, dando loro una visione di prima mano di come mangiano questi enormi buchi neri.

La linea di fondo: "Quando gli lanci una palla di gas, sembrano tutti fare più o meno la stessa cosa", ha detto in una dichiarazione l'autore dello studio Dheeraj Pasham, del MIT. "Sono la stessa bestia in termini di accrescimento. "

"Abbiamo dimostrato che se hai visto un buco nero, li hai visti tutti, in un certo senso".

L'abstract dell'articolo collegato:

A seguito di un evento di interruzione delle maree (TDE), il tasso di accrescimento può evolvere da livelli quiescenti a livelli vicini a Eddington e tornare indietro nel corso di mesi - anni. Ciò fornisce un'opportunità unica per studiare la formazione e l'evoluzione del flusso di accrescimento attorno ai buchi neri supermassicci (SMBH). Presentiamo due anni di osservazioni di monitoraggio multi-lunghezza d'onda del TDE AT2018fyk a raggi X, UV, lunghezze d'onda ottiche e radio. Identifichiamo tre distinti stati di accrescimento e due transizioni di stato tra di essi. Questi sembrano notevolmente simili al comportamento dei buchi neri di massa stellare in esplosione. Le proprietà spettrali dei raggi X mostrano una transizione da uno stato spettrale morbido (dominato dal calore) a uno duro (dominato dalla legge di potenza) intorno $L_{bol}$ pochi ×10−2 $L_{Edd}$, e il rafforzamento della corona nel tempo ∼100--200 giorni dopo il picco UV/ottico. Contemporaneamente, la distribuzione dell'energia spettrale (in particolare, la pendenza spettrale αox da UV a raggi X) mostra un pronunciato rammollimento man mano che l'esplosione progredisce. Anche le proprietà di temporizzazione dei raggi X mostrano un marcato cambiamento, inizialmente dominato dalla variabilità su scale temporali lunghe (>giorno) mentre un'alta frequenza (∼10−3 Hz) emerge dopo il passaggio allo stato hard. Negli ultimi tempi (∼500 giorni dopo il picco), si verifica una seconda transizione dello stato di accrescimento, dallo stato duro allo stato quiescente, come identificato dall'improvviso collasso dell'emissione bolometrica (raggi X+UV) a livelli inferiori a 10−−3.4 $L_{Edd}$. I nostri risultati illustrano che i TDE possono essere utilizzati per studiare la scala (in)varianza dei processi di accrescimento nelle singole SMBH. Di conseguenza, forniscono una nuova strada per studiare gli stati di accrescimento su sette ordini di grandezza nella massa dei buchi neri, rimuovendo le limitazioni inerenti agli studi di insieme comunemente usati.


I getti distanti ci stanno dando indizi su come i buchi neri supermassicci diventino così grandi

Le nuove scoperte includono i più antichi buchi neri che emettono onde radio mai visti dagli astronomi.

Rappresentazione artistica di un getto radio proveniente da un buco nero supermassiccio. ESO/M. Kornmesser

Al centro di ogni galassia c'è un buco nero supermassiccio, un mostro che tiene insieme le vicinanze di stelle e pianeti, gas e polvere. Nel corso dei decenni da quando gli astronomi hanno iniziato a studiarli seriamente, abbiamo confermato che questi oggetti esistono davvero, abbiamo appreso che sono probabilmente essenziali per aiutare la formazione delle stelle e abbiamo persino sviluppato una tecnica per visualizzarli direttamente. Tuttavia, una grande domanda ha lasciato perplessi gli astronomi: come fanno queste bestie a crescere così massicce, così rapidamente?

La chiave potrebbe risiedere nei getti astrofisici: esplosioni di particelle energizzate e radiazioni che occasionalmente eruttano buchi neri supermassicci. Non sappiamo esattamente perché lo facciano, ma due nuovi studi da record dello stesso team internazionale di astronomi suggeriscono che qualunque sia la causa, questi getti potrebbero aiutare a crescere buchi neri supermassicci.

La prima scoperta, riportata sull'Astrophysical Journal, è la scoperta di un buco nero supermassiccio distante 13 miliardi di anni luce che è 300 volte più massiccio del sole. Gli astronomi hanno utilizzato le osservazioni a infrarossi del telescopio Magellan all'Osservatorio di Las Campanas in Cile per confermare che si tratta della fonte di un getto rilevato per la prima volta nel 2015. Questo buco nero supermassiccio è ora il buco nero più distante (cioè il più antico) che produce getti di sempre rilevato.

Il secondo, in uno studio preprint che sarà presto pubblicato sull'Astrophysical Journal, è la scoperta di un getto astrofisico proveniente da un buco nero supermassiccio distante 12,7 miliardi di anni luce e oltre un miliardo di volte più massiccio del sole, scoperto per la prima volta nel 2018 Il team ha utilizzato l'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA, che cerca le emissioni di raggi X da oggetti molto caldi nell'universo, per fare queste osservazioni. È il getto astrofisico più distante mai osservato ai raggi X.

Ogni serie di risultati infrange alcuni record di astronomia esoterica, ma non è per questo che sono un grosso problema. Entrambi aiutano a spiegare perché i buchi neri supermassicci sono in grado di crescere così rapidamente anche se rilasciano costantemente materia ad alta energia. Quello che il team ha trovato è la prima prova del suo genere che i jet in realtà incoraggiare la rapida alimentazione di un buco nero.

Nella prima indagine, dopo che Magellan ha confermato l'esistenza del buco nero, il team ha utilizzato altri strumenti, come il Very Large Telescope in Cile, per discernere altre proprietà del buco nero e del suo getto, come la massa.

I dati aggiuntivi dimostrano come i getti incoraggino l'alimentazione. L'intensa forza gravitazionale del buco nero sta cercando di attirare enormi quantità di gas e polvere nel suo orizzonte degli eventi (il punto di non ritorno). Questa materia ha un momento angolare, il che significa che non cade direttamente dentro, ma orbita intorno all'orizzonte degli eventi. Nel frattempo, la pressione di radiazione nell'area (creata dall'attrito e dallo stress nel disco di materia orbitante che si riscalda fino a diventare incandescente) continua a spingere il gas lontano dall'orizzonte degli eventi.

Quello che succede è un po' complesso, ma essenzialmente il raggio di particelle altamente energizzate del getto toglie momento angolare al gas mentre si sposta verso l'esterno. E a differenza della pressione di radiazione, che brilla e spinge fuori in tutte le direzioni, il getto è stretto, e quindi è a malapena in grado di interagire e influenzare gli strati di gas meno densi più lontani. Con un modo in cui il gas perde momento angolare con poco pushback, gran parte del gas che circonda l'orizzonte degli eventi cade semplicemente dentro.

"In questo modo, il getto garantisce che il buco nero non stia lavorando attivamente contro se stesso: è in grado di continuare a nutrirsi", afferma Thomas Connor, astronomo della NASA e coautore di entrambi gli articoli. Sebbene gli scienziati abbiano sospettato che i jet potrebbero svolgere un ruolo nell'incoraggiare il processo di alimentazione, "fino ad ora non abbiamo visto prove convincenti a riguardo", afferma.

Lo studio a raggi X rafforza questa idea. Queste osservazioni hanno rivelato che il getto ha viaggiato a 150.000 anni luce di distanza dalla sua fonte, rendendola la prima osservazione a raggi X di getti più lunghi di poche migliaia di anni luce. "Questo rilevamento a raggi X su larga scala significa che abbiamo avuto questi getti in funzione per periodi di tempo incredibilmente lunghi", afferma Connor. Non sono semplicemente dei blip transitori, ma sono stati mantenuti per centinaia di migliaia di anni, abbastanza tempo per aiutare effettivamente un buco nero supermassiccio a nutrirsi e crescere molto rapidamente. "Ora sappiamo che questo è un processo a lungo termine, ed è così che questi getti sono effettivamente in grado di aiutare la formazione di questi buchi neri supermassicci", afferma. "Questo è il pezzo mancante che collega 15 anni di teoria a dove siamo ora".

Entrambi gli studi aiutano a gettare le basi per i risultati di follow-up che potrebbero aiutarci a saperne di più su come i buchi neri supermassicci si sono evoluti e hanno contribuito a modellare l'universo primordiale. Ora abbiamo un'idea migliore di come cercare i buchi neri di tempi così antichi, oltre a comprendere che più osservazioni a raggi X potrebbero essere fondamentali per apprendere come funziona la dinamica del getto d'aria.

Per Connor, quelle osservazioni aggiuntive saranno la chiave. Ed è piuttosto incoraggiato dopo l'uno-due di questa settimana. La scoperta "si spera che indichi che ci siano molti più di questi oggetti là fuori", dice, "e spero che possiamo battere di nuovo il record di distanza abbastanza presto".


Gli scienziati scoprono che i buchi neri potrebbero raggiungere dimensioni "stupendamente grandi"

Questa immagine simulata al computer mostra un buco nero supermassiccio al centro di una galassia. La regione nera al centro rappresenta l'orizzonte degli eventi del buco nero, dove nessuna luce può sfuggire alla presa gravitazionale dell'oggetto massiccio. La potente gravità del buco nero distorce lo spazio intorno ad esso come uno specchio da luna park. La luce delle stelle sullo sfondo viene allungata e imbrattata mentre le stelle sfiorano il buco nero. Crediti: NASA, ESA e D. Coe, J. Anderson e R. van der Marel (STScI)

Uno studio recente suggerisce la possibile esistenza di "buchi neri meravigliosamente grandi" o SLABS, anche più grandi dei buchi neri supermassicci già osservati nei centri delle galassie.

La ricerca, guidata dal professore emerito della regina Mary Bernard Carr presso la School of Physics and Astronomy, insieme a F. Kühnel (Münich) e L. Visinelli (Frascati), ha studiato come potrebbero formarsi questi SLAB e i potenziali limiti alle loro dimensioni.

Sebbene vi siano prove dell'esistenza di buchi neri supermassicci (SMBH) nei nuclei galattici, con masse da un milione a dieci miliardi di volte quella del Sole, studi precedenti hanno suggerito un limite superiore alle loro dimensioni a causa della nostra attuale visione di come tali i buchi neri si formano e crescono.

L'esistenza di SLABS anche più grandi di questa potrebbe fornire ai ricercatori un potente strumento per i test cosmologici e migliorare la nostra comprensione dell'Universo primordiale.

Sfidare le idee esistenti

È stato ampiamente pensato che le SMBH si formino all'interno di una galassia ospite e raggiungano le loro grandi dimensioni inghiottendo stelle e gas dall'ambiente circostante o fondendosi con altri buchi neri. In questo caso, c'è un limite superiore, di poco superiore ai dieci miliardi di masse solari, sulla loro massa.

In questo studio, i ricercatori propongono un'altra possibilità su come potrebbero formarsi le SMBH, che potrebbero eludere questo limite. Suggeriscono che tali SLAB potrebbero essere "primordiali", formandosi nell'Universo primordiale e molto prima delle galassie.

Poiché i buchi neri "primordiali" non si formano da una stella in collasso, potrebbero avere un'ampia gamma di masse, comprese quelle molto piccole e stupendamente grandi.

Il professor Bernard Carr ha dichiarato: "Sappiamo già che i buchi neri esistono su una vasta gamma di masse, con un SMBH di quattro milioni di masse solari che risiedono al centro della nostra galassia. Sebbene al momento non ci siano prove dell'esistenza di SLAB, è concepibile che potrebbero esistere e potrebbero anche risiedere al di fuori delle galassie nello spazio intergalattico, con interessanti conseguenze osservative. Tuttavia, sorprendentemente, l'idea degli SLAB è stata ampiamente trascurata fino ad ora".

"Abbiamo proposto opzioni su come potrebbero formarsi questi SLAB e speriamo che il nostro lavoro inizi a motivare le discussioni tra la comunità".

Capire la materia oscura

Si pensa che la materia oscura costituisca circa l'80% della massa ordinaria dell'Universo. Sebbene non possiamo vederlo, i ricercatori pensano che la materia oscura esista a causa dei suoi effetti gravitazionali sulla materia visibile, come stelle e galassie. Tuttavia, non sappiamo ancora cosa sia la materia oscura.

I buchi neri primordiali sono uno dei potenziali candidati. L'idea della loro esistenza può essere fatta risalire agli anni '70, quando il professor Carr e il professor Stephen Hawking suggerirono che nei primi istanti dell'Universo le fluttuazioni della sua densità avrebbero potuto provocare il collasso di alcune regioni in buchi neri.

"Gli stessi SLAB non potrebbero fornire la materia oscura", ha affermato il professor Carr, "ma se esistessero, avrebbero importanti implicazioni per l'Universo primordiale e renderebbero plausibile che i buchi neri primordiali più leggeri possano farlo".


UNIVERSITY PARK, Pennsylvania — Al centro della maggior parte delle galassie ci sono buchi neri così massicci - fino a diversi miliardi di volte la massa del nostro sole - che si sono guadagnati il ​​descrittore "supermassiccio". Confrontalo con il tuo buco nero di massa stellare ordinario, da 10 a 100 volte la massa del nostro sole. Comprendere questi buchi neri supermassicci aiuterà gli astronomi a comprendere l'origine e l'evoluzione delle galassie. Una domanda aperta è se possono formare binari.

I buchi neri di massa stellare formano sistemi binari, due buchi neri orbitanti l'uno verso l'altro, se si formano dal collasso di un sistema stellare binario, o forse quando due buchi neri si catturano a vicenda nella loro attrazione gravitazionale. Entrano a spirale, alla fine fondendosi in un evento così potente da inviare un'increspatura nello spazio e nel tempo nota come onda gravitazionale. Alcuni anni fa, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha rilevato per la prima volta onde gravitazionali da un tale evento.

Teoricamente quindi, la fusione di due galassie potrebbe tradursi in un buco nero binario della varietà supermassiccia, ma finora gli astronomi non hanno rilevato inequivocabilmente uno di questi eventi. Il professore di astronomia e astrofisica della Penn State Michael Eracleous è in prima linea nella caccia.

"Circa dieci anni fa, sono stati pubblicati diversi articoli che affermavano di aver rilevato buchi neri binari supermassicci", ha detto. “Avevo lavorato sui buchi neri binari supermassicci da studente laureato, quindi mi sono sentito obbligato a intraprendere un progetto per raccogliere molti dati per poter fare un contrappunto alle affermazioni di quei documenti. Una volta che ci sono entrato, ho visto quanto fosse connesso all'evoluzione della galassia.

"Quando sono arrivato alla Penn State, sapevo che il dipartimento era perfetto per il tipo di ricerca che faccio", ha detto. "Ho stretto ottimi rapporti con i miei colleghi qui, e ora so che se dovessi mai essere bloccato, tutto ciò che serve è una tazza di caffè e una conversazione per chiarire le cose".

Quindi, come cerchi qualcosa che non hai mai visto?

"In gran parte dell'astronomia, l'osservazione viene prima di tutto: vediamo qualcosa e questo informa la nostra teoria", ha detto Eracleous. “Per i buchi neri binari supermassicci, la teoria sta guidando le osservazioni. Fino a quando non ne troviamo uno, le domande sono "Dovrebbero esistere?" e "Dovremmo cercarli?" E la risposta a entrambe le domande è sicuramente "Sì".

Una delle principali differenze tra buchi neri supermassicci e buchi neri di massa stellare è il gas. Quando i buchi neri di massa stellare si formano dopo che una stella è esplosa in una supernova, la maggior parte del gas viene allontanata. Ma si pensa che i buchi neri supermassicci portino con sé gas. Questi gas emettono segnali luminosi che possono essere rilevati da grandi telescopi dotati di spettrografi qui sulla Terra, come l'Hobby-Eberly Telescope (HET) di 11 metri.

Eracleous ha spiegato che i gas vengono rilevati dallo spettrografo come righe di emissione di una particolare lunghezza d'onda e potrebbero essere la chiave per identificare un binario supermassiccio. Mentre i buchi neri orbitano l'uno attorno all'altro, le linee di emissione di questi gas si spostano a causa dell'effetto Doppler. Le righe di emissione di un buco nero vengono spostate a lunghezze d'onda più lunghe e quelle dell'altro a lunghezze d'onda più corte. Quindi gli scienziati si aspettano due righe di emissione separate, una da ciascun buco nero.

"Se potessimo seguire le linee di emissione nel corso di un'orbita, le vedremmo attraversare avanti e indietro mentre i segnali di ciascun buco nero si spostavano da una parte e poi dall'altra", ha detto Eracleous.

Naturalmente, la ricerca effettiva non è così semplice. Praticità come la disponibilità limitata di tempo sui grandi telescopi necessari per effettuare queste osservazioni significano che gli astronomi non possono limitarsi a guardare e aspettare di vedere i segni rivelatori di un binario supermassiccio. Ma non ne hanno bisogno. Invece, identificano i candidati da un sondaggio iniziale ed effettuano controlli regolari per vedere se gli spettri di questi candidati sono cambiati come ci si aspetterebbe in base ai modelli teorici.

"Utilizzare il telescopio Hobby-Eberly per fare queste osservazioni ci semplifica la vita perché non abbiamo nemmeno bisogno di andare all'osservatorio per raccogliere i dati", ha affermato Eracleous. "L'HET è gestito da astronomi residenti che effettuano le osservazioni e ci inviano i dati".

Il processo è lento, ma Eracleous ha spiegato che una volta trovato un buco nero binario supermassiccio, la ricerca dovrebbe accelerare.

"Il primo buco nero binario supermassiccio confermato sarà come la Stele di Rosetta", ha detto. “Ci dirà quali dei nostri modelli avevano ragione e quali erano sbagliati. Ci consentirà di perfezionare le nostre prossime ricerche e dovremmo essere in grado di trovarne di più".

Gli astronomi stanno già sviluppando la tecnologia per le prossime ricerche. Eracleous è coinvolta nella progettazione della Laser Interferometer Space Antenna (LISA). LISA sta a LIGO come un buco nero supermassiccio sta a un buco nero di massa stellare. Laddove LIGO è costituito da due laser lunghi quattro chilometri ad angolo retto l'uno con l'altro, i tre veicoli spaziali di LISA saranno collegati da laser che percorreranno 2,5 milioni di chilometri formando un triangolo equilatero. La scala di LISA e il fatto che sia basato sullo spazio significa che può rilevare onde gravitazionali a bassa lunghezza d'onda lontano da fonti di rumore qui sulla Terra.

"LISA sarà sintonizzata per trovare onde gravitazionali come quelle che deriverebbero da una fusione di buchi neri supermassicci", ha affermato Eracleous.

Per Eracleous, il Dipartimento di Astronomia e Astrofisica della Penn State ha fornito l'ambiente di supporto necessario per la sua ricerca.

Questa storia è apparsa per la prima volta nel numero dell'inverno 2021 del Science Journal, la rivista dell'Eberly College of Science.


I buchi neri supermassicci possono essere formati dal collasso degli aloni di materia oscura

La teoria potrebbe aiutare a spiegare la presenza di buchi neri supermassicci nell'Universo primordiale.

Pubblicato: 18 giugno 2021 alle 14:28

Si pensa che i buchi neri supermassicci siano in agguato al centro di quasi tutte le grandi galassie, ma si sa molto poco sulle loro origini. Il pensiero attuale suggerisce che questi colossi cosmici, che possono avere masse milioni di volte la massa del Sole, crescerebbero in modo relativamente lento poiché impiegherebbe un tempo considerevole per assorbire la materia che li circonda.

Tuttavia, ci deve essere qualcos'altro in quanto sono stati osservati diversi buchi neri supermassicci che risalgono ai primi giorni dell'Universo.

Ora, un team di fisici dell'Università della California pensa di avere una spiegazione: i buchi neri semi, o buchi neri nelle loro fasi iniziali, possono essere formati dal collasso degli aloni di materia oscura che circondano le galassie.

Leggi di più sui buchi neri:

"I fisici sono perplessi sul motivo per cui i buchi neri supermassicci nell'Universo primordiale, che si trovano nelle regioni centrali degli aloni di materia oscura, crescano così massicciamente in breve tempo", ha affermato il leader dello studio Hai-Bo Yu, professore associato di fisica e astronomia presso UC Riverside, che ha guidato lo studio.

“È come un bambino di cinque anni che pesa, diciamo, 200 libbre (90 kg). Un bambino del genere ci stupirebbe tutti perché conosciamo il peso tipico di un neonato e quanto velocemente può crescere questo bambino.

“Quando si tratta di buchi neri, i fisici hanno aspettative generali sulla massa di un buco nero seme e sul suo tasso di crescita. La presenza di buchi neri supermassicci suggerisce che queste aspettative generali siano state violate, richiedendo nuove conoscenze. Ed è eccitante".

Secondo la teoria di Yu, l'alone si forma inizialmente quando la gravità attira le particelle di materia oscura sempre più vicine. Quando l'alone si forma, inizia una battaglia tra la gravità, che spinge le particelle al centro dell'alone, e la pressione, che le spinge verso l'esterno.

Leggi di più sulla materia oscura:

Se le particelle di materia oscura non possono interagire tra loro, si surriscaldano, aumentando la pressione verso l'esterno e impedendo il collasso dell'alone. Se possono interagire con un altro, tuttavia, il calore potrebbe essere distribuito uniformemente tra le particelle portando all'eventuale collasso dell'alone e alla formazione di un buco nero seme.

Questo seme può quindi diventare più massiccio succhiando qualsiasi materia barionica circostante, o visibile, come gas e stelle.

“Il vantaggio del nostro scenario è che la massa del buco nero seme può essere elevata poiché è prodotta dal collasso di un alone di materia oscura. Pertanto, può trasformarsi in un buco nero supermassiccio in un lasso di tempo relativamente breve", ha affermato Yu.

“In molte galassie, stelle e gas dominano le loro regioni centrali. Pertanto, è naturale chiedersi come la presenza di questa materia barionica influenzi il processo di collasso. Dimostriamo che accelererà l'inizio del crollo. Questa caratteristica è esattamente ciò di cui abbiamo bisogno per spiegare l'origine dei buchi neri supermassicci nell'Universo primordiale".


Tripudio di gloria, fiammata di gloria

In ogni caso, i semi dei mostri di oggi sono stati deposti nell'universo primordiale, quando aveva meno di un miliardo di anni. Ma, per quanto grandi fossero questi oggetti quando sono nati, hanno dovuto ancora rimpinzarsi per diventare i veri mostri che sono oggi. Le simulazioni al computer del comportamento di stelle, buchi neri, galassie e gas nell'universo primordiale suggeriscono che questi buchi neri sono cresciuti rapidamente, raggiungendo il loro stato massiccio entro poche centinaia di milioni di anni dalla loro formazione.

Gli astronomi sanno come individuare tali rimpinzarsi di buchi neri: I buchi neri che alimentano formano il cuore delle galassie attive. Mentre tutto quel gas si infila nella gola dell'orizzonte degli eventi di un buco nero, si comprime e si riscalda fino a milioni di gradi. Quel gas caldo emette raggi X roventi così luminosi che possono essere visti da miliardi di anni luce di distanza. Quindi, quando vediamo una gigantesca sorgente luminosa di raggi X nel cielo, sappiamo che trilioni di tonnellate di gas stanno cadendo in un buco nero.

Ma mentre gli scienziati hanno individuato centinaia di migliaia di galassie attive nell'universo vicino, noi ne abbiamo viste solo una manciata nel giovane cosmo. (Poiché la luce impiega tempo per viaggiare, studiare angoli remoti dell'universo equivale a guardare indietro nel tempo.)

Detto questo, le galassie attive che gli scienziati hanno trovato a distanze estreme e quindi in passato sono estremamente potenti. Ad esempio, il più distante nota galassia attiva, soprannominato ULAS J1342+0928, era vivo e vegeto quando l'universo aveva solo 690 milioni di anni e ospitava un buco nero supermassiccio con una massa di 800 milioni di volte quella del sole.


Quanto può diventare grande un buco nero supermassiccio?

Esiste un limite teorico a quanto può diventare grande un buco nero supermassiccio? originariamente apparso su Quora: il luogo in cui acquisire e condividere conoscenze, consentendo alle persone di imparare dagli altri e comprendere meglio il mondo.

Risposta di Martin Silvertant, astronomo dilettante, su Quora:

Poiché la dimensione di un buco nero definita dal raggio di Schwarzschild si riferisce alla sua massa, è solo acquisendo più massa che un buco nero supermassiccio diventerà più grande, poiché una massa maggiore significa che lo spaziotempo è curvo su un'area più ampia. Si noti, tuttavia, che il raggio di Schwarzschild non denota una superficie reale, ma l'area oltre la quale lo spaziotempo è curvato a tal punto che la velocità di fuga supera la velocità della luce. In altre parole, c'è così tanta massa in un volume così piccolo che la forza gravitazionale curva lo spaziotempo a tal punto che nemmeno la luce può sfuggire. Poiché nessuna luce riflette, ecco perché un buco nero è nero.

Sebbene si pensi che i buchi neri supermassicci possano crescere indefinitamente, esiste un massimo teorico che sarà in grado di crescere mediante il metodo convenzionale del disco di accrescimento, in cui il gas nelle immediate vicinanze del buco nero supermassiccio viene attratto gravitazionalmente, passa la sfera di fotoni e si accumula in un disco mentre il materiale si muove a spirale nel buco nero oltre il suo orizzonte degli eventi (il confine oltre il quale la luce non può sfuggire). Questo limite superiore è di 50 miliardi di M☉ (massa solare) [1]. A quel punto, o di solito molto prima che venga raggiunto quel punto, il gas nelle immediate vicinanze si esaurisce e il buco nero supermassiccio smette di acquisire più massa, tranne forse perturbando in modo mareale la stella occasionale che si avvicina troppo. Gli eventi di interruzione delle maree si verificano quando una stella si avvicina troppo al buco nero e viene separata dalle forze di marea del buco nero.

Ma i buchi neri supermassicci saranno in grado di andare oltre quel limite superiore per mezzo di fusioni di buchi neri, che derivano da fusioni galattiche quando le galassie si fondono, a un certo punto i buchi neri supermassicci al centro di entrambe le galassie entreranno in una danza gravitazionale, a spirale in l'un l'altro e alla fine si fondono per diventare un buco nero supermassiccio più grande. Nota anche che quando le galassie si fondono, alcuni gas e stelle si avvicineranno di nuovo al buco nero supermassiccio, il che significa che c'è ancora una volta materiale nelle immediate vicinanze del buco nero, di cui almeno parte del materiale entrerà a spirale nel buco nero e ancora una volta può acquisire più massa.

Sopra ci sono due galassie che si fondono, il sistema NGC 2207 nella costellazione del Cane Maggiore, che ha innescato il buco nero supermassiccio (il punto luminoso al centro della galassia principale). Le fusioni galattiche sono la ragione più probabile per cui sono attive nuclei galattici si verificano [2]. Immagine: ESO

In quanto tale, l'attuale limite superiore per la massa dei buchi neri supermassicci è semplicemente un riflesso dell'universo attuale. Dopo che è passato più tempo e si sono fuse più galassie, quel limite superiore potrebbe aumentare leggermente. Tuttavia, i buchi neri supermassicci non cresceranno mai indefinitamente, poiché le fusioni galattiche non si verificheranno indefinitamente, poiché l'energia oscura (la forza che accelera l'espansione dello spazio) allontana la maggior parte delle galassie.

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Buchi neri supermassicci ai confini dello spazio e del tempo

Gli astronomi conoscono questi oggetti da decenni, ma nelle profondità del tempo cosmico è difficile capire come possano crescere così rapidamente, o forse no!

Thanks to the painstaking research conducted by astronomers using the Hubble Space Telescope in the 1990s, the consensus is that virtually all large galaxies have at their centers massive black holes that formed over the course of billions of years. Our own galaxy, the Milky Way, has one of these massive beasts, whose mass is about 3 million times that of the Sun. The monster black hole at the center of the giant galaxy NGC 4889 has a mass that's estimated to be 20 billion times that of the Sun. And this galaxy is right in our cosmic neighborhood, only about 300 million light-years from the Sun!

NGC 4889 (Credit: Sloan Digital Sky Survey)

Let me give you a better perspective on what a black hole looks like. The radius of a simple black hole (nonrotating) is about 2.8 kilometers for every solar mass it contains. This defines the radius of its event horizon. Once inside the event horizon, you are dead meat in a matter of a millisecond. You cannot escape the intense gravity, and even worse, spacetime itself is in perpetual collapse, so there are no stable orbits. Your only destiny is to get snuffed out by the singularity. But because of the gravitational tides, you will be stretched out into an atomic tube of spaghetti long before you get this close. The gravity is lethal at a distance of 1,000 kilometers!

If the supermassive black hole in NGC 4889 were located where the Sun is, its event horizon would be 56 billion kilometers away -- far beyond the orbit of Pluto! The gravity tides are so weak you would not even feel that you had crossed over the event horizon until it was too late. Then your destiny would still be to collide with the singularity after a few hours of uncontrollable travel.

We know that black holes constantly gain more mass as they absorb surrounding gas, dust, planets, and even stars. The Milky Way's black hole just tried to feast on a cloud of gas in 2013.

Computer simulation of the 2013 event (Credit: ESO/MPE/Marc Schartmann)

This event produced hardly a blip in the light and radiation emitted from this region of space. But when a black hole eats a wayward star, you get a huge supply of radiation that transforms the object into a quasar. In fact, for a rotating black hole, the energy you get is about 1/2 mc 2 where m is the mass of the infalling matter. The radiation is so powerful that these quasar events can be seen clear across the span of the visible universe, billions of light-years away! Quasars require the consumption of about one entire solar mass of material every year to be as brilliant as they are.

Now here's the problem. You can only shove matter into a black hole as quickly as you can get it past the surface area of the event horizon. That means that small Sun-sized black holes with very small surface areas (about 8 square miles) take a long time to consume the mass of a shreaded star. But the vastly larger supermassive black holes can easily consume an entire star every year or more.

But there is a second problem. Most accretion occurs in a rotating disk that has to form because the angular momentum of the incoming star has to be conserved. This leads to a slow accretion process. A much faster accretion process happens in "spherical accretion," where the infalling gas enters along a direct "radial" direction with no angular momentum. But if the inflow is too dense, the radiation generated by the heated gas pushes back on the infalling material and slows it down. This is called the Eddington rate, and it seems to be the maximum rate at which even a supermassive black hole can eat. For the supermassive black holes in quasars, this works out to about a few solar masses per year.

What does this have to do with the recently identified supermassive black hole called SDSS J0100+2802? Well, based on its distance, we can estimate that the object we see today was created about 700 million years after the Big Bang, and some 400 million years after the expanding cosmic gas became cold enough to form small objects. The mass of this black hole is nearly 13 billion times the mass of the Sun. That means that over the course of 400 million years, it had to consume about 30 times the mass of the Sun every year. This is way above the Eddington limit. So how could such a massive black hole have formed?

Luckily, nearby, we have examples of how this might work. A faster growth rate can happen by black-hole cannibalism. When two supermassive black holes collide, they form a new black hole with their original combined mass. We see signs of this starting to happen in such galaxies as SDSS J120136.02+300305.5, in which the collision between two galaxies has left behind a 10-million-solar-mass black hole and a 1-million-solar-mass black hole, now spiraling into each other and separated by less than a light-year.

This artist's impression shows a binary supermassive black hole system in the galaxy SDSS J120136.02+300305.5 (Credit: ESA / C. Carreau)

We know that in the early history of the universe, there were a lot of mass mergers going on. Most produced bursts of star formation, and we see these objects as multiple knots of brilliant UV light. So this may be the way that supermassive black holes like SDSS J0100+2802 grew to be such massive objects in only a few hundred million years.

Still, it is very impressive that not only can we detect these kinds of events occurring so close to the Big Bang but we can still find explanations from our local corner of the universe that seem to apply to such a remote time and space.


The same black hole can collide with its kin multiple times, lopsided merger suggests

A black hole's life may be even more violent than we thought.

Per black holes, a collision doesn't have to be a once-in-a-lifetime experience, new research suggests.

On April 12, 2019, scientists detected a new black-hole merger using a trio of gravitational-wave detectors. Astrophysicists have spotted such events before, but something about the signals was different this time: the two black holes that collided were incredibly unevenly matched, with the larger about three times the size of the smaller. Scientists didn't expect to see such an imbalanced merger between black holes, and now, they think they might understand the unusual event.

"This event is an oddball the universe has thrown at us — it was something we didn't see coming," Salvatore Vitale, a physicist at the Massachusetts Institute of Technology and an author on the new research, said in a statement. "But nothing happens just once in the universe. And something like this, though rare, we will see again, and we'll be able to say more about the universe."

Vitale and his colleagues suspect that the strange collision occurred after the larger black hole itself was the product of a black-hole merger. The initial event sent a large black hole bouncing around a neighborhood packed with black holes, this hypothesis goes, enabling the uneven collision.

That's a very different story than scientists' two main scenarios for black-hole mergers, which both encourage fairly even matches. Vitale and his colleagues used two different models to evaluate whether the traditional merger scenarios could create an event like the unbalanced merger. No dice.

"No matter what we do, we cannot easily produce this event in these more common formation channels," Vitale said.

So the team turned to a process called hierarchical merging, in which the result of a black-hole merger goes on to merge again. And this time, the models seemed to make sense. "You do the math, and it turns out the leftover black hole would have a spin which is very close to the total spin of this merger," Vitale said.

Coincidentally, gravitational wave researchers published other research this week that also points to hierarchical merging. On Wednesday (Sept. 2), the scientists behind the gravitational-wave detectors LIGO (short for "Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory") and Virgo announced that in May 2019, they had seen a black hole that was larger than scientists know how to form by stellar explosions. The suspicion is that this hefty black hole, if not both the original members of the event, was the result of a previous merger.

The scientists behind the new paper analyzing the uneven collision suspect that hierarchical mergers couldn't happen just anywhere, but instead must occur in a relatively dense neighborhood, where black holes can easily interact with each other.

"This merger must have come from an unusual place," Vitale said. "As LIGO and Virgo continue to make new detections, we can use these discoveries to learn new things about the universe."

The research is described in a paper published Sept. 2 in the journal Physical Review Letters.

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If there are regions of space "packed with black holes", then how can any type of black hole collision be considered unusual?

I also don't understand why anyone would just assume a black hole couldn't merge more than once. It seems it would happen as often as it happens. It doesn't seem any different than any other two objects colliding.

The big news is the big black hole merger involving 70 - 150 solar mass black holes.


That we can find black holes in these ranges means there is no principle problem of growing super massive black holes as regards size, even if we still don’t know how they grow so large so quickly.

But there are more clues to hierarchical growth conditions in this accompanying commentary article in Physical Review Letters.

"“If the object was able to merge again (in this case, to produce GW190412), it would mean the kick that it received was not enough to escape the stellar cluster in which it formed. If GW190412 indeed is a product of hierarchical merging, the team calculated that it would have occurred in an environment with an escape velocity higher than 150 kilometers per second. For perspective, the escape velocity of most globular clusters is about 50 kilometers per second.

This means that whatever environment GW190412 arose from had an immense gravitational pull, and the team believes that such an environment could have been either the disk of gas around a supermassive black hole, or a “nuclear cluster” — an incredibly dense region of the universe, packed with tens of millions of stars.”"

The merger radiated away 8 solar masses, which is 2-4 times more than typical earlier mergers, so it is no wonder that they saw twice as far. Even if it was a low frequency chirp with 10-20 Hz main frequency, it seems the upgraded Advanced LIGO could observe that low.

The event had an expected rate of

0.1 Gpc^-3 yr^-1, so the 100 Gpc^3 volume would see these about every month – we will soon get good statistics on what seems to be happening in the center of galaxies.

If there are regions of space "packed with black holes", then how can any type of black hole collision be considered unusual?

I also don't understand why anyone would just assume a black hole couldn't merge more than once. It seems it would happen as often as it happens. It doesn't seem any different than any other two objects colliding.

Well, you would have to read the paper (and its references) for the entire story.

But besides that we don't know how larger mass black holes got started in the early universe, there has been "mass gaps" that troubled scientists. From star models it wasn't clear if collapsing stars between 2 and 5 solar masses would become neutron stars or black holes. Another problem from such models come in the mass range between 50ish (says some researchers) to 100ish solar masses where x rays released during normal star end life collapse becomes so energetic that they generate electron-positron pairs and had a runaway disintegration instead of collapse. And finally there was no black holes observed between a few solar masses and 10,000ish solar masses (the intermediate range).

From observations it seems all these mass gaps have been closed, though how we don't know yet. The 2-5 solar mass gap has seen 1-2 merger results that looks like black holes, i.e. no light (but we have to wait a few years in case dust obscures any neutron star). The pair production instability mass gap has now a star inside, likely an earlier merger and the collapse models may survive. And we have a 100+ solar mass merger result, only 1-3 orders of magnitude left on the growth mass gap.

The problem with hierarchical merger theory is many I think (is it feasible? does it explain what we see?), but my previous comment touch on what I recently learned may have been the largest problem. If a merger happens the resulting black holes gets a kick and tend to disappear from dense clusters. The resolution for late universe black hole growth at intermediate (and super massive) masses may be growth within an active galaxy nucleus. If that is correct, a few years of gravity wave research should be able to elaborate on and test that.

How to explain early hierarchical growth seems more iffy.

Is there a model in which two black holes temporarily overlap event horizons but never actually merge? I was picturing what might happen if two black holes are both approaching a given point in space very fast and from opposite directions. It would be wrong to call what results a "collision," since all the actual matter is at the center of the spherical event horizon, and in my scenario, those cores wouldn't hit. I'm imagining the two black holes only grazing past each other, overlapping event horizons temporarily, deflecting each other's trajectories, but still separating. Is that situation even consistent with GR? If so, just how much of an overlap is possible? Could it happen (say, with supermassive black holes approaching each other at speeds close to c) that the center of one of the black holes is temporarily within the event horizon of the other, but then gets out?


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