Forskare vid Centrum för Astrofysik | Harvard &Smithsonian, och Black Hole Initiative (BHI), har belyst hur svarta hål växer över tid genom att utveckla en ny modell för att förutsäga om tillväxt genom tillväxt eller genom sammanslagningar är dominerande, enligt resultaten av en studie som presenterades idag vid det virtuella 236:e mötet i American Astronomical Society och publicerades samtidigt i The Astrofysisk tidskrift .

Dr Avi Loeb, Frank B. Baird Jr. professor i vetenskap vid Harvard, och Dr Fabio Pacucci, astrofysiker och BHI &Clay Fellow vid CfA, har utvecklat en teoretisk modell för att bestämma huvudkanalen för tillväxten av svarta hål. Modellen är giltig från lokaluniversum upp till rödförskjutning 10, eller ungefär från nutid till omkring 13 miljarder år sedan.

Studien tyder på att den huvudsakliga tillväxtkanalen beror på det svarta hålets massa och på rödförskjutning. I det närliggande universum växer små svarta hål mestadels genom ackretion, medan mycket stora svarta hål växer mestadels via sammanslagningar. I det mycket långt borta universum finns en omvändning:små svarta hål växer mestadels genom sammanslagningar, stora svarta hål genom ackretion.

"Svarta hål kan växa på två sätt. De kan samla massa från utrymmet runt dem eller de kan smälta samman med varandra, bildar ytterligare ett massivt svart hål, ", sa Pacucci. "Vi tror för närvarande att de första svarta hålen började bildas ungefär med den första populationen av stjärnor, för över 13,5 miljarder år sedan." Frågan är:hur växte dessa "frön" till att bilda den mycket breda populationen av svarta hål som forskare nu upptäcker i universum, från små upp till de mycket stora monster som vi ser lysa från andra sidan av kosmos? Loeb lade till, "Vi kan begränsa deras historia inte bara genom att detektera ljus utan också genom gravitationsvågor, krusningarna i rumtiden som deras sammanslagningar ger."

Enligt tidigare studier, svarta hål som växer mestadels genom ackretion förutspås rotera mycket snabbare på sina axlar än de som växer mestadels via sammanslagningar. "Som rotationshastigheten, eller snurra, påverkar i grunden hur området runt ett svart hål lyser, Att studera den huvudsakliga tillväxtmetoden för svarta hål hjälper till att ge oss en tydligare bild av hur ljusa dessa källor kan vara. Vi vet redan att materia faller mot händelsehorisonten av svarta hål och, när det går snabbare, den värms också upp, och denna gas börjar avge strålning, " sa Pacucci. "Ju mer materia ett svart hål skapar, desto ljusare kommer det att bli; det är därför vi kan observera föremål som är långt borta, som supermassiva svarta hål. De är en miljard gånger mer massiva än solen, och de kan avge enorma mängder strålning så att vi kan observera dem från till och med miljarder ljusårs avstånd." Loeb sa vidare att även om deras miljö är gasfri, "svarta hål kan växa i massa genom sammanslagningar av galaxer."

Svarta hål, och deras tillväxt, verkar spela en nyckelroll i galaxernas utveckling. "Vi tror att varje galax innehåller ett massivt svart hål i mitten, som reglerar bildandet av stjärnor i deras värd, " sa Pacucci. "Förstå hur svarta hål bildades, växte och utvecklades tillsammans med galaxer är grundläggande för vår förståelse och kunskap om universum, och med denna studie, vi har ytterligare en pusselbit."

Nästa generation av rymdbaserade röntgen- och gravitationsvågobservatorier, inklusive Lynx, Athena, AXIS och LISA – Laser Interferometer Space Antenna – kommer att kunna upptäcka de flesta av de svarta hålen som undersökts i detta arbete, upp till det mycket tidiga universum. Framtida observationer kommer att testa den nya modellen och i slutändan utöka den vetenskapliga kunskapen om befolkningen av svarta hål över kosmisk tid.

"Vi har redan testat vår modell med data från närliggande svarta hål, få mycket uppmuntrande resultat, ", sade Pacucci. "Vårt mål i den här studien var att förse det vetenskapliga samfundet med en teori som beskriver hur svarta hål kan ha växt under universums utveckling. Detta kommer att informera beslut om observationsstrategier med framtida rymdteleskop, samt lägga grunden för modeller som beskriver andra aspekter av universums utveckling."

Loeb, för, är optimistisk inför framtiden, "Vi hittar förvånansvärt stora "bebisar" i de kosmiska dagis med svarta hål, men under de kommande decennierna kommer vi att ta reda på vilka deras föräldrar var."