Genom att använda en ny datormodell för galaxbildning, har forskare visat att växande svarta hål frigör en sprängning av energi som i grund och botten reglerar galaxutvecklingen och själva svarthåltillväxten. Modellen förklarar för första gången observerade fenomen och lovar att ge djupare insikter i vår förståelse av galaxbildning och rollen som svarta hål under hela den kosmiska historien, enligt dess skapare. Resultatet publicerades i Nature 10 februari, och resultaten genererades av Carnegie Mellon University astrofysiker Tiziana Di Matteo och hennes kollegor på Max Planck Institut fur Astrophysik i Tyskland. Di Matteos kollaboratörer inkluderar Volker Springel vid Max-Planck Institut för astrofysik och Lars Hernquist vid Harvard University.
"De senaste åren har forskare börjat uppskatta att den totala massan av stjärnor i dagens galaxer motsvarar direkt storleken på en galaxs svarta hål, men fram till nu kunde ingen redogöra för detta observerade förhållande," sade Di Matteo, biträdande professor i fysik vid Carnegie Mellon. "Att använda våra simuleringar har gett oss ett helt nytt sätt att utforska problemet."
Nyckeln till forskarna? genombrottet införlivade beräkningar för svart håls dynamik i en beräkningsmodell för galaxbildning.
När galaxer bildades i det tidiga universum innehöll de troligtvis små svarta hål i sina centra. I standardscenariot för galaxbildning bildas galaxer genom att komma ihop med varandra genom tyngdkraften. Under processen smälter de svarta hålen i mitten samman och växer snabbt och når deras observerade massor på en miljard gånger solens; därför kallas de supermassiva svarta hål. Även vid tidpunkten för sammanslagningen bildas majoriteten av stjärnor från tillgänglig gas. Dagens galaxer och deras centrala svarta hål måste vara resultatet av en serie sådana händelser.
Di Matteo och hennes kollegor simulerade kollisionen mellan två framväxande galaxer och fann att när de två galaxerna samlades, sammanslogs deras två supermassiva svarta hål och konsumerade initialt den omgivande gasen. Men denna aktivitet var självbegränsande. När den återstående galaxens supermassiva svarta hål sugade upp gas drivde den ett självlysande tillstånd som kallas en kvasar. Kvasaren aktiverade den omgivande gasen till en sådan nivå att den blåste bort från närheten av det supermassiva svarta hålet till utsidan av galaxen. Utan närliggande gas kunde galaxens supermassiva svarta hål inte "äta" för att upprätthålla sig själv och blev vilande. Samtidigt var gas inte längre tillgänglig för att bilda fler stjärnor.
"Vi har upptäckt att energin som frigörs av svarta hål under en kvasarfas driver en stark vind som förhindrar att material faller in i det svarta hålet," sade Springel. ”Denna process hämmar ytterligare svart håltillväxt och stänger av kvasaren, precis som stjärnbildningen stoppar inuti en galax. Som ett resultat är svarthålsmassan och massan av stjärnor i en galax nära kopplade. Våra resultat förklarar också för första gången varför kvasarens livslängd är så kort fas jämfört med galaxens livslängd. ”
I deras simuleringar fann Di Matteo, Springel och Hernquist att de svarta hålen i små galaxer själv begränsar tillväxten mer effektivt än i de i större galaxer. En mindre galax innehåller mindre mängder gas så att en liten mängd energi från det svarta hålet snabbt kan blåsa bort denna gas. I en stor galax kan det svarta hålet nå en större storlek innan dess omgivande gas tillförs tillräckligt för att sluta falla in. Med deras snabba förbrukning gör mindre galaxer färre stjärnor. Med en långlivad gasbassäng gör större galaxer fler stjärnor. Dessa fynd matchar det observerade förhållandet mellan svart hålstorlek och den totala massan av stjärnor i galaxer.
"Våra simuleringar visar att självreglering kan kvantitativt redovisa observerade fakta förknippade med svarta hål och galaxer," sade Hernquist, professor och ordförande för astronomi vid Harvards fakultet för konst och vetenskap. "Det ger en förklaring till ursprunget till kvasarens livslängd och bör göra det möjligt för oss att förstå varför kvasarer var mer rikliga i det tidiga universum än de är i dag."
"Med dessa beräkningar ser vi nu att svarta hål måste ha en enorm inverkan på hur galaxer formas och utvecklas," sade Di Matteo. "Framgångarna hittills kommer att göra det möjligt för oss att implementera dessa modeller inom större simulerade universum, så att vi kan förstå hur stora populationer av svarta hål och galaxer påverkar varandra i ett kosmologiskt sammanhang."
Teamet körde sina simuleringar med de omfattande beräkningsresurserna för Center for Parallel Astrophysical Computing vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics och vid Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft i Garching.
Ursprungskälla: Max Planck Institute nyhetsmeddelande
