Korzystając z nowego komputerowego modelu formowania się galaktyki, naukowcy wykazali, że rosnące czarne dziury uwalniają podmuch energii, który zasadniczo reguluje ewolucję galaktyki i sam wzrost czarnej dziury. Model wyjaśnia po raz pierwszy zaobserwowane zjawiska i obiecuje dostarczyć głębszych informacji na temat naszego rozumienia powstawania galaktyk i roli czarnych dziur w całej historii kosmicznej, według jej twórców. Opublikowane w numerze Nature 10 lutego, wyniki zostały wygenerowane przez astrofizykę z Carnegie Mellon University, Tizianę Di Matteo i jej współpracowników, podczas pobytu w Max Planck Institut fur Astrophysik w Niemczech. Do współpracowników Di Matteo należą Volker Springel z Max-Planck Institut for Astrophysics i Lars Hernquist z Harvard University.
„W ostatnich latach naukowcy zaczęli doceniać, że całkowita masa gwiazd w dzisiejszych galaktykach odpowiada bezpośrednio wielkości czarnej dziury w galaktyce, ale do tej pory nikt nie był w stanie wyjaśnić obserwowanego związku”, powiedział Di Matteo, adiunkt fizyki w Carnegie Mellon. „Korzystanie z naszych symulacji dało nam zupełnie nowy sposób na zbadanie tego problemu”.
Klucz do naukowców? przełomem było włączenie obliczeń dynamiki czarnej dziury do obliczeniowego modelu powstawania galaktyk.
Gdy galaktyki powstały we wczesnym wszechświecie, prawdopodobnie zawierały w swoich centrach małe czarne dziury. W standardowym scenariuszu powstawania galaktyk galaktyki rosną, łącząc się ze sobą pod wpływem siły grawitacji. Podczas tego procesu czarne dziury w ich centrum łączą się ze sobą i szybko rosną, osiągając obserwowaną masę miliarda razy większą niż Słońce; stąd nazywane są supermasywnymi czarnymi dziurami. Również w momencie fuzji większość gwiazd powstaje z dostępnego gazu. Dzisiejsze galaktyki i ich centralne czarne dziury muszą być wynikiem szeregu takich wydarzeń.
Di Matteo i jej koledzy przeprowadzili symulację zderzenia dwóch rodzących się galaktyk i odkryli, że gdy obie galaktyki się połączyły, ich dwie supermasywne czarne dziury połączyły się i początkowo zużyły otaczający gaz. Ale ta aktywność była samoograniczająca. Kiedy supermasywna czarna dziura galaktyki resztek zasysała gaz, zasilała ona stan luminescencyjny zwany kwazarem. Kwasar energetyzował otaczający gaz do takiego poziomu, że został wydmuchany z okolic supermasywnej czarnej dziury na zewnątrz galaktyki. Bez pobliskiego gazu supermasywna czarna dziura w galaktyce nie byłaby w stanie „zjeść”, aby utrzymać się i stała się uśpiona. W tym samym czasie gaz nie był już dostępny, aby utworzyć więcej gwiazd.
„Odkryliśmy, że energia uwalniana przez czarne dziury podczas fazy kwazarowej napędza silny wiatr, który zapobiega spadaniu materiału do czarnej dziury”, powiedział Springel. „Proces ten hamuje dalszy wzrost czarnej dziury i wyłącza kwazar, podobnie jak formowanie gwiazd zatrzymuje się w galaktyce. W rezultacie masa czarnej dziury i masa gwiazd w galaktyce są ze sobą ściśle powiązane. Nasze wyniki wyjaśniają również po raz pierwszy, dlaczego czas życia kwazara jest tak krótki w porównaniu z życiem galaktyki. ”
W swoich symulacjach Di Matteo, Springel i Hernquist odkryli, że czarne dziury w małych galaktykach ograniczają swój wzrost bardziej skutecznie niż w większych galaktykach. Mniejsza galaktyka zawiera mniejsze ilości gazu, dzięki czemu niewielka ilość energii z czarnej dziury może szybko zdmuchnąć ten gaz. W dużej galaktyce czarna dziura może osiągnąć większy rozmiar, zanim otaczający ją gaz zostanie wystarczająco naładowany, aby przestać wpadać. Dzięki szybkiemu zużyciu gazu mniejsze galaktyki tworzą mniej gwiazd. Przy dłuższej kałuży gazu większe galaktyki tworzą więcej gwiazd. Odkrycia te odpowiadają obserwowanej relacji między rozmiarem czarnej dziury a całkowitą masą gwiazd w galaktykach.
„Nasze symulacje pokazują, że samoregulacja może ilościowo uwzględniać obserwowane fakty związane z czarnymi dziurami i galaktykami” - powiedział Hernquist, profesor i przewodniczący astronomii na Wydziale Nauk i Nauk w Harvardzie. „To wyjaśnia pochodzenie życia kwazarów i powinno pozwolić nam zrozumieć, dlaczego kwazary były bardziej obfite we wczesnym wszechświecie niż obecnie”.
„Dzięki tym obliczeniom widzimy teraz, że czarne dziury muszą mieć ogromny wpływ na sposób, w jaki galaktyki tworzą się i ewoluują”, powiedział Di Matteo. „Dotychczasowe sukcesy pozwolą nam wdrożyć te modele w większych symulowanych wszechświatach, abyśmy mogli zrozumieć, w jaki sposób duże populacje czarnych dziur i galaktyk wpływają na siebie w kontekście kosmologicznym”.
Zespół przeprowadził symulacje z obszernymi zasobami obliczeniowymi Centrum równoległego przetwarzania astrofizycznego w Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft w Garching.
Oryginalne źródło: Informacja prasowa Instytutu Maxa Plancka
