Svarta håls matningsmönster ger insikt i deras storlek, forskare rapporterar. En ny studie avslöjade att det flimrande i ljusstyrkan som observerats vid aktiv matning av supermassiva svarta hål är relaterat till deras massa.

Supermassiva svarta hål är miljoner till miljarder gånger mer massiva än solen och finns vanligtvis i centrum av massiva galaxer. När de är vilande och inte livnär sig på gasen och stjärnorna som omger dem, SMBH:er avger mycket lite ljus; det enda sättet astronomer kan upptäcka dem är genom deras gravitationspåverkan på stjärnor och gas i deras närhet. Dock, i det tidiga universum, när SMBHs växte snabbt, de matade aktivt - eller samlade - material i intensiv hastighet och avgav en enorm mängd strålning - ibland överglänste hela galaxen där de bor, sa forskarna.

Den nya studien, ledd av University of Illinois Urbana-Champaign astronomi doktorand Colin Burke och professor Yue Shen, avslöjade ett definitivt förhållande mellan massan av aktivt matande SMBH och den karakteristiska tidsskalan i det ljusflimmermönstret. Resultaten publiceras i tidskriften Vetenskap .

Det observerade ljuset från en ackreterande SMBH är inte konstant. På grund av fysiska processer som ännu inte är förstått, den visar en allestädes närvarande flimmer över tidsskalor som sträcker sig från timmar till decennier. "Det har gjorts många studier som undersökt möjliga samband mellan det observerade flimret och massan av SMBH, men resultaten har varit ofullständiga och ibland kontroversiella, sa Burke.

Teamet sammanställde en stor datamängd av aktivt matande SMBHs för att studera variationsmönstret för flimmer. De identifierade en karakteristisk tidsskala, över vilken mönstret förändras, som nära korrelerar med massan av SMBH. Forskarna jämförde sedan resultaten med växande vita dvärgar, resterna av stjärnor som vår sol, och fann att samma tidsskala-massrelation gäller, även om vita dvärgar är miljoner till miljarder gånger mindre massiva än SMBHs.

Ljusflimmerna är slumpmässiga fluktuationer i ett svart håls matningsprocess, sa forskarna. Astronomer kan kvantifiera detta flimrande mönster genom att mäta kraften hos variabiliteten som en funktion av tidsskalor. För accretering av SMBH, Variabilitetsmönstret ändras från korta tidsskalor till långa tidsskalor. Denna övergång av variabilitetsmönster sker på en karakteristisk tidsskala som är längre för mer massiva svarta hål.

Teamet jämförde matning med svarta hål med vår ät- eller drickaktivitet genom att likställa denna övergång med en mänsklig rapning. Bebisar rapar ofta när de dricker mjölk, medan vuxna kan hålla i rapen under en längre tid. Svarta hål gör ungefär samma sak när man matar, sa de.

"Dessa resultat tyder på att processerna som driver flimmer under ackretion är universella, om det centrala föremålet är ett supermassivt svart hål eller en mycket lättare vit dvärg, " sa Shen.

"Den fasta etableringen av en koppling mellan det observerade ljusflimmer och grundläggande egenskaper hos accretor kommer säkerligen att hjälpa oss att bättre förstå accretion processer, " sa Yan-Fei Jiang, en forskare vid Flatiron Institute och studie medförfattare.

Astrofysiska svarta hål finns i ett brett spektrum av massa och storlek. Mellan populationen av svarta hål av stjärnmassa, som väger mindre än flera tiotals gånger solens massa, och SMBH, det finns en population av svarta hål som kallas svarta hål med medelmassa som väger mellan cirka 100 och 100, 000 gånger solens massa.

IMBHs förväntas bildas i stort antal genom universums historia, och de kan ge de frön som behövs för att växa till SMBH senare. Dock, observationsmässigt är denna population av IMBH:er förvånansvärt svårfångad. Det finns bara en obestridligen bekräftad IMBH som väger cirka 150 gånger solens massa. Men att IMBH upptäcktes utan vidare av gravitationsvågstrålningen från sammansmältningen av två mindre massiva svarta hål.

"Nu när det finns en korrelation mellan det flimrande mönstret och massan av det centrala anhopande objektet, vi kan använda den för att förutsäga hur den flimrande signalen från en IMBH kan se ut, sa Burke.

Astronomer över hela världen väntar på den officiella kickoffen av en era av massiva undersökningar som övervakar den dynamiska och variabla himlen. Vera C. Rubin-observatoriet i Chiles Legacy Survey of Space and Time kommer att undersöka himlen under ett decennium och samla in ljusflimmerdata för miljarder objekt, med start i slutet av 2023.

"Att utvinna LSST-datauppsättningen för att söka efter flimrande mönster som överensstämmer med accreting IMBHs har potentialen att upptäcka och till fullo förstå denna länge eftersökta mystiska population av svarta hål, " sa medförfattaren Xin Liu, en astronomiprofessor vid U. of I.

Denna studie är ett samarbete med astronomi- och fysikprofessor Charles Gammie och astronomipostdoktorn Qian Yang, Illinois Center for Advanced Study of the Universe, och forskare vid University of California, Santa Barbara; University of St. Andrews, STORBRITANNIEN.; Flatiron Institute; University of Southampton, STORBRITANNIEN.; United States Naval Academy; och University of Durham, STORBRITANNIEN.

Burke, Shen och Liu är också anslutna till Center for Astrophysical Surveys vid National Center for Supercomputing Applications i Illinois.