В этой Вселенной темная материя имеет гораздо большую массу, чем светящаяся материя, и она доминирует в формировании галактик и их крупномасштабных структур. Широко распространенный сценарий образования галактик на основе холодной темной материи предполагает, что столкновения и слияния небольших богатых газом галактик приводят к образованию массивных галактик, наблюдаемых в нынешней Вселенной. Недавние наблюдения показывают, что сверхмассивные ЧД с массой Солнца более одного миллиона повсеместно существуют в центрах галактик.Слияние богатых газом галактик со сверхмассивными чёрными дырами в их центрах не только вызывает активное звездообразование, но и стимулирует аккрецию массы на существующие сверхмассивные чёрные дыры.
Когда материал накапливается на сверхмассивной черной дыре (СМЧД), аккреционный диск, окружающий черную дыру, становится очень горячим из-за высвобождения гравитационной энергии и становится очень ярким. Этот процесс называется активностью галактического ядра (AGN); он отличается от активности по выработке энергии реакциями ядерного синтеза в звездах. Понимание разницы между этими видами деятельности имеет решающее значение для выяснения физических процессов формирования галактик. Однако наблюдение за этими процессами затруднено, потому что пыль и газ покрывают как звездообразование, так и активность AGN в сливающихся галактиках.
Инфракрасные наблюдения незаменимы для этого типа исследований, потому что они значительно снижают эффект исчезновения пыли.Чтобы лучше понять эту деятельность, группа астрономов из Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ) во главе с доктором Масатоши Иманиши использовала инфракрасную камеру и спектрограф телескопа Subaru (IRCS) и его систему адаптивной оптики для наблюдения за инфракрасными светящимися сливающимися галактиками. инфракрасный K-диапазон (длина волны 2,2 микрометра) и L’-диапазон (длина волны 3,8 микрометра).
Они использовали данные изображений на этих длинах волн, чтобы разработать метод, позволяющий отличить активность глубоко закопанных активных сверхмассивных черных дыр от активности звездообразования. Эффективность генерации радиационной энергии от активных массаккрецирующих сверхмассивных черных дыр намного выше, чем у ядерных реакций синтеза внутри звезд.
Активная сверхмассивная чёрная дыра генерирует большое количество горячей пыли (несколько 100 Кельвинов), которая производит сильное инфракрасное излучение в L’-диапазоне; относительная сила инфракрасного излучения K- и L’-полос отличает активную сверхмассивную чёрную дыру от активности звездообразования. Поскольку эффекты поглощения пыли в этих инфракрасных длинах волн невелики, этот метод может обнаруживать даже глубоко залегающие активные СМЧД, которые неуловимы в оптических длинах волн. Система адаптивной оптики Subaru Telescope позволила команде получить изображения с высоким пространственным разрешением, которые позволили им эффективно исследовать излучение, которое возникает в активных сверхмассивных чёрных дырах в ядерных областях галактик, за счет минимизации эмиссионного загрязнения в результате звездообразования в масштабах всей галактики.
Команда наблюдала 29 сливающихся галактик, богатых газом, в инфракрасном свете. Основываясь на относительной силе инфракрасного излучения в K- и L’-диапазонах в ядрах галактик, они подтвердили, что по крайней мере одна активная сверхмассивная чёрная дыра возникает в каждой галактике, кроме одной. Это указывает на то, что в богатых газом сливающихся галактиках большое количество материала может аккрецироваться на СМЧД, и многие такие СМЧД могут проявлять активность АЯГ.
Однако только четыре сливающиеся галактики демонстрируют множественные активные сверхмассивные чёрные дыры. Если бы обе исходные объединенные галактики имели СМЧД, то можно было бы ожидать, что множественные СМЧД возникнут во многих сливающихся галактиках. Чтобы наблюдать эти СМЧД как светящуюся активность АЯГ, СМЧД должны активно аккрецировать материал.
Результаты группы означают, что не все СМЧД в богатых газом сливающихся галактиках активно наращивают массу, и что несколько СМЧД могут иметь значительно разные темпы аккреции массы на СМЧД. Количественное измерение степени увеличения массы сверхмассивных ЧД обычно основывается на яркости АЯГ на единицу массы СМЧД.
Сравнение нормированной на массу СМЧД светимости АЯГ (= светимости АЯГ, деленной на массу СМЧД) среди множества ядер подтверждает сценарий разной скорости аккреции массы на множественные СМЧД в сливающихся галактиках с инфракрасным светом и богатых газом.Полученные данные показывают, что в процессе аккреции массы на сверхмассивные чёрные дыры преобладают местные условия вокруг сверхмассивных чёрных дыр, а не общие свойства галактик.
Поскольку масштаб аккреции массы на сверхмассивные ЧД очень мал по сравнению с масштабом галактики, такие явления трудно предсказать на основе компьютерного моделирования слияния галактик. Фактические наблюдения крайне важны для лучшего понимания процесса аккреции массы на сверхмассивные чёрные дыры, который происходит во время слияния галактик.