Ved å bruke en ny datamaskinmodell for galaksedannelse har forskere vist at voksende sorte hull frigjør en eksplosjon av energi som fundamentalt regulerer galakseutviklingen og selve svart hullveksten. Modellen forklarer for første gang observerte fenomener og lover å levere dypere innsikt i vår forståelse av galaksdannelse og sorte hulls rolle gjennom hele den kosmiske historien, ifølge skaperne. Resultatene ble publisert i 10. utgaven av Nature, og ble generert av Carnegie Mellon University astrofysiker Tiziana Di Matteo og hennes kolleger, mens de var på Max Planck Institut fur Astrophysik i Tyskland. Di Matteos samarbeidspartnere inkluderer Volker Springel ved Max-Planck Institut for Astrophysics og Lars Hernquist ved Harvard University.
"De siste årene har forskere begynt å sette pris på at den totale massen av stjerner i dagens galakser tilsvarer størrelsen på en galakas sorte hull, men til nå var det ingen som kunne redegjøre for dette observerte forholdet," sa Di Matteo, assisterende professor i fysikk ved Carnegie Mellon. "Å bruke simuleringene våre har gitt oss en helt ny måte å utforske dette problemet på."
Nøkkelen til forskerne? gjennombrudd var å inkludere beregninger for svart hulldynamikk i en beregningsmodell for galakseformasjon.
Da galakser dannet seg i det tidlige universet, inneholdt de sannsynligvis små sorte hull i sentrene. I standardscenariet for galaksedannelse vokser galakser ved å komme sammen med hverandre ved hjelp av tyngdekraften. I prosessen smelter de sorte hullene i sentrum sammen og vokser raskt for å nå de observerte massene på en milliard ganger solen; derfor kalles de supermassive sorte hull. Også på tidspunktet for sammenslåing danner flertallet av stjernene seg fra tilgjengelig gass. Dagens galakser og sentrale sorte hull må være resultatet av en serie slike hendelser.
Di Matteo og hennes kolleger simulerte kollisjonen mellom to begynnende galakser og fant ut at da de to galakser kom sammen, slo de to supermassive sorte hullene sammen og konsumerte først den omliggende gassen. Men denne aktiviteten var selvbegrensende. Da den gjenværende galaksens supermassive sorte hull sugde opp gass, drev den en selvlysende tilstand kalt en kvasar. Kvasaren ga den omkringliggende gassen strøm til et slikt nivå at den ble blåst bort fra nærområdet til det supermassive sorte hullet til utsiden av galaksen. Uten gass i nærheten, kunne galaksens supermassive sorte hull ikke "spise" for å opprettholde seg selv og ble sovende. Samtidig var ikke lenger gass tilgjengelig for å danne flere stjerner.
"Vi har oppdaget at energien som frigjøres av sorte hull under en kvasarfase, styrker en sterk vind som forhindrer at materialet faller ned i det sorte hullet," sa Springel. “Denne prosessen hemmer videre vekst av svart hull og stenger av kvasaren, akkurat som stjernedannelse stopper inne i en galakse. Som et resultat er det sorte hullmassen og massen av stjerner i en galakse nært knyttet sammen. Resultatene våre forklarer også for første gang hvorfor kvasarens levetid er en så kort fase sammenlignet med levetiden til en galakse. ”
I sine simuleringer fant Di Matteo, Springel og Hernquist at de svarte hullene i små galakser selv begrenser veksten mer effektivt enn i de i større galakser. En mindre galakse inneholder mindre mengder gass, slik at en liten mengde energi fra det sorte hullet raskt kan blåse denne gassen bort. I en stor galakse kan det sorte hullet nå en større størrelse før den omkringliggende gassen blir spenning nok til å slutte å falle i. Med deres gass raskt brukt, gjør mindre galakser færre stjerner. Med et lengre levd basseng med gass, gjør større galakser flere stjerner. Disse funnene samsvarer med det observerte forholdet mellom svart hullstørrelse og den totale massen av stjerner i galakser.
"Våre simuleringer viser at selvregulering kan kvantitativt redegjøre for observerte fakta assosiert med sorte hull og galakser," sa Hernquist, professor og styreleder for astronomi ved Harvards fakultet for kunst og vitenskap. "Det gir en forklaring på opprinnelsen til kvasarens levetid og skal gi oss muligheten til å forstå hvorfor kvasarer var rikelig i det tidlige universet enn de er i dag."
"Med disse beregningene ser vi nå at sorte hull må ha en enorm innvirkning på måten galakser dannes og utvikles," sa Di Matteo. "Suksessene oppnådd så langt vil tillate oss å implementere disse modellene i større simulerte universer, slik at vi kan forstå hvordan store populasjoner av sorte hull og galakser påvirker hverandre i en kosmologisk sammenheng."
Teamet kjørte sine simuleringer med de omfattende databehandlingsressursene til Center for Parallel Astrophysical Computing ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics og i Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft i Garching.
Original kilde: Max Planck Institute nyhetsutgivelse
