Pomocí nového počítačového modelu tvorby galaxií vědci ukázali, že rostoucí černé díry uvolňují výbuch energie, který zásadně reguluje evoluci galaxií a růst samotné černé díry. Model vysvětluje poprvé pozorované jevy a slibuje poskytnout hlubší vhled do našeho chápání tvorby galaxií a role černých děr v celé kosmické historii, podle jejích tvůrců. Výsledky byly publikovány v únorovém čísle časopisu Nature a výsledky byly získány astrofyzikkou univerzity Carnegie Mellon University Tiziana Di Matteo a jejími kolegy na Institutu Maxe Plancka v Astrophysik v Německu. Mezi spolupracovníky Di Mattea patří Volker Springel z Institutu Max-Plancka pro astrofyziku a Lars Hernquist z Harvardovy univerzity.
"V posledních letech si vědci začínají uvědomovat, že celková hmotnost hvězd v dnešních galaxiích přímo odpovídá velikosti černé díry galaxie, ale doposud nikdo nemohl odpovídat za tento pozorovaný vztah," řekl Di Matteo, docent fyziky na Carnegie Mellon. "Použití našich simulací nám poskytlo zcela nový způsob, jak tento problém prozkoumat."
Klíč k vědcům? průlom zahrnoval výpočty pro dynamiku černé díry do výpočetního modelu formování galaxie.
Když se galaxie tvořily v časném vesmíru, pravděpodobně ve svých centrech obsahovaly malé černé díry. Ve standardním scénáři tvorby galaxií rostou galaxie tím, že se spolu přitahují gravitací. Přitom se černé díry v jejich středu spojí a rychle rostou, aby dosáhly své pozorované hmotnosti miliardkrát větší než Slunce; proto se jim říká supermasivní černé díry. Také v době fúze se většina hvězd tvoří z dostupného plynu. Dnešní galaxie a jejich centrální černé díry musí být výsledkem řady takových událostí.
Di Matteo a její kolegové simulovali kolizi dvou vznikajících galaxií a zjistili, že když se obě galaxie spojily, sloučily se jejich dvě superhmotné černé díry a zpočátku spotřebovaly okolní plyn. Tato aktivita však byla omezující. Když supermasivní černá díra zbytku galaxie nasávala plyn, poháněl luminiscenční stav zvaný kvasar. Kvasar povzbuzoval okolní plyn na takovou úroveň, že byl odfouknut z blízkosti supermasivní černé díry na vnější stranu galaxie. Bez blízkého plynu nemohla superhmotná černá díra galaxie „jíst“, aby se udržela a spala. Současně už nebyl k dispozici plyn, který by vytvářel další hvězdy.
"Zjistili jsme, že energie uvolněná černými dírami během kvasarové fáze pohání silný vítr, který zabraňuje padání materiálu do černé díry," řekl Springel. "Tento proces inhibuje další růst černé díry a uzavírá kvasar, stejně jako se tvorba hvězd v galaxii zastaví." Výsledkem je, že hmota černé díry a hmota hvězd v galaxii jsou úzce propojeny. Naše výsledky také poprvé vysvětlují, proč je životnost kvasaru ve srovnání se životem galaxie tak krátká fáze. “
Di Matteo, Springel a Hernquist ve svých simulacích zjistili, že černé díry v malých galaxiích omezují svůj růst efektivněji než u větších galaxií. Menší galaxie obsahuje menší množství plynu, takže malé množství energie z černé díry může tento plyn rychle odfouknout. Ve velké galaxii může černá díra dosáhnout větší velikosti, než je okolní plyn dostatečně nabitý, aby se nezastavil. Díky rychle strávenému plynu menší galaxie vytvářejí méně hvězd. S déle žitou zásobou plynu vytvářejí větší galaxie více hvězd. Tato zjištění odpovídají pozorovanému vztahu mezi velikostí černé díry a celkovou hmotností hvězd v galaxiích.
"Naše simulace ukazují, že samoregulace může kvantitativně odpovídat za pozorovaná fakta spojená s černými dírami a galaxiemi," uvedl Hernquist, profesor a předseda astronomie na Harvardově Fakultě umění a věd. "Poskytuje vysvětlení původu života kvazaru a mělo by nám umožnit pochopit, proč byly kvazary v počátečním vesmíru hojnější než dnes."
"Díky těmto výpočtům nyní vidíme, že černé díry musí mít obrovský dopad na způsob, jakým se galaxie vytvářejí a vyvíjejí," řekl Di Matteo. "Dosažené úspěchy nám umožní implementovat tyto modely do větších simulovaných vesmírů, abychom mohli pochopit, jak velké populace černých děr a galaxií se navzájem ovlivňují v kosmologickém kontextu."
Tým provedl simulace pomocí rozsáhlých výpočetních zdrojů Centra pro paralelní astrofyzikální práci v Harvard-Smithsonianově centru pro astrofyziku a Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft v Garchingu.
Původní zdroj: Max Planck Institute News Release
