Ved hjælp af en ny computermodel for dannelse af galakser har forskere vist, at voksende sorte huller frigiver en eksplosion af energi, der grundlæggende regulerer galakseudviklingen og selve sort hulvækst. Modellen forklarer for første gang observerede fænomener og lover at levere dybere indsigt i vores forståelse af galaksdannelse og sorte hulers rolle gennem hele den kosmiske historie, ifølge dens skabere. Resultaterne blev offentliggjort i 10. udgave af Nature og blev genereret af Carnegie Mellon University-astrofysiker Tiziana Di Matteo og hendes kolleger, mens de var på Max Planck Institut fur Astrophysik i Tyskland. Di Matteos samarbejdspartnere inkluderer Volker Springel ved Max-Planck Institut for Astrofysik og Lars Hernquist ved Harvard University.
"I de senere år er forskere begyndt at forstå, at den samlede masse af stjerner i dagens galakser svarer direkte til størrelsen af en galakas sorte hul, men indtil nu var det ingen, der kunne redegøre for dette observerede forhold," sagde Di Matteo, adjunkt i fysik ved Carnegie Mellon. ”Brug af vores simuleringer har givet os en helt ny måde at udforske dette problem på.”
Nøglen til forskerne? gennembrud inkorporerede beregninger for sort huldynamik i en beregningsmodel for galaksdannelse.
Da galakser dannet i det tidlige univers, indeholdt de sandsynligvis små sorte huller i deres centre. I standardscenariet med galaksdannelse vokser galakser ved at komme sammen med hinanden ved hjælp af tyngdekraften. I processen smelter de sorte huller i deres centrum sammen og vokser hurtigt for at nå deres observerede masser på en milliard gange solen; derfor kaldes de supermassive sorte huller. Også på fusionstidspunktet dannes størstedelen af stjernerne fra tilgængelig gas. Dagens galakser og deres centrale sorte huller skal være resultatet af en række sådanne begivenheder.
Di Matteo og hendes kolleger simulerede sammenstødet mellem to fremadstormende galakser og fandt, at når de to galakser kom sammen, blev deres to supermassive sorte huller fusioneret og oprindeligt forbrugt den omgivende gas. Men denne aktivitet var selvbegrænsende. Da den resterende galakas supermassive sorte hul sugede op gas, drev den en selvlysende tilstand kaldet en kvasar. Kvasaren strømførte den omgivende gas til et sådant niveau, at den blev sprængt væk fra nærheden af det supermassive sorte hul til ydersiden af galaksen. Uden nærliggende gas kunne galaxens supermassive sorte hul ikke "spise" for at opretholde sig selv og blev sovende. På samme tid var gas ikke længere tilgængelig til at danne flere stjerner.
"Vi har opdaget, at den energi, der frigøres af sorte huller i en kvasarfase, styrker en stærk vind, der forhindrer materiale i at falde ned i det sorte hul," sagde Springel. ”Denne proces hæmmer yderligere vækst i sort hul og lukker kvasaren, ligesom stjernedannelse stopper inde i en galakse. Som et resultat er det sorte hulmasse og massen af stjerner i en galakse tæt forbundet. Vores resultater forklarer også for første gang, hvorfor kvasarens levetid er en så kort fase sammenlignet med levetiden til en galakse. ”
I deres simuleringer fandt Di Matteo, Springel og Hernquist, at de sorte huller i små galakser selv begrænser deres vækst mere effektivt end i dem i større galakser. En mindre galakse indeholder mindre mængder gas, så en lille mængde energi fra det sorte hul hurtigt kan sprænge denne gas væk. I en stor galakse kan det sorte hul nå en større størrelse, før dens omgivende gas er tilstrækkelig til at stoppe med at falde ind. Med deres gas hurtigt brugt, giver mindre galakser færre stjerner. Med en længere levet gaspulje gør større galakser flere stjerner. Disse fund matcher det observerede forhold mellem sort hulstørrelse og den samlede masse af stjerner i galakser.
”Vores simuleringer demonstrerer, at selvregulering kvantitativt kan redegøre for observerede fakta forbundet med sorte huller og galakser,” sagde Hernquist, professor og styreleder for astronomi i Harvards fakultet for kunst og videnskaber. ”Det giver en forklaring på oprindelsen af kvasarens levetid og skulle give os mulighed for at forstå, hvorfor kvasarer var mere rigelige i det tidlige univers end de er i dag.”
”Med disse beregninger ser vi nu, at sorte huller skal have en enorm indflydelse på, hvordan galakser dannes og udvikles,” sagde Di Matteo. ”De hidtil opnåede succeser vil give os mulighed for at implementere disse modeller inden for større simulerede universer, så vi kan forstå, hvordan store populationer af sorte huller og galakser påvirker hinanden i en kosmologisk kontekst.”
Holdet kørte deres simuleringer med de omfattende databehandlingsressourcer fra Center for Parallel Astrophysical Computing på Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics og i Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft i Garching.
Original kilde: Max Planck Institute nyhedsmeddelelse
