Χρησιμοποιώντας ένα νέο ηλεκτρονικό μοντέλο σχηματισμού γαλαξιών, οι ερευνητές έχουν δείξει ότι οι αυξανόμενες μαύρες τρύπες απελευθερώνουν μια έκρηξη ενέργειας που ρυθμίζει ουσιαστικά την εξέλιξη των γαλαξιών και την ίδια την ανάπτυξη των μαύρων οπών. Το μοντέλο εξηγεί για πρώτη φορά παρατηρημένα φαινόμενα και υπόσχεται να δώσει βαθύτερες γνώσεις για την κατανόηση του σχηματισμού γαλαξιών και του ρόλου των μαύρων τρυπών σε όλη την κοσμική ιστορία, σύμφωνα με τους δημιουργούς του. Δημοσιεύθηκε στο τεύχος της Φύσης της 10ης Φεβρουαρίου, τα αποτελέσματα δημιουργήθηκαν από την αστροφυσική του Πανεπιστημίου Carnegie Mellon, Tiziana Di Matteo και τους συναδέλφους της, ενώ στο γήπεδο Max Planck Institut Astrophysik στη Γερμανία. Οι συνεργάτες του Di Matteo περιλαμβάνουν τον Volker Springel στο Max-Planck Institut for Astrophysics και τον Lars Hernquist στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ.
«Τα τελευταία χρόνια, οι επιστήμονες έχουν αρχίσει να εκτιμούν ότι η συνολική μάζα των αστεριών στους σημερινούς γαλαξίες αντιστοιχεί άμεσα στο μέγεθος της μαύρης τρύπας ενός γαλαξία, αλλά μέχρι τώρα κανείς δεν μπορούσε να εξηγήσει αυτήν την παρατηρούμενη σχέση», δήλωσε ο Ντι. Matteo, επίκουρος καθηγητής φυσικής στο Carnegie Mellon. «Η χρήση των προσομοιώσεών μας μας έδωσε έναν εντελώς νέο τρόπο διερεύνησης αυτού του προβλήματος.»
Το κλειδί για τους ερευνητές; η ανακάλυψη ενσωμάτωσε υπολογισμούς για τη δυναμική των μαύρων οπών σε ένα υπολογιστικό μοντέλο σχηματισμού γαλαξιών.
Καθώς οι γαλαξίες σχηματίστηκαν στο πρώιμο σύμπαν, πιθανότατα περιείχαν μικρές μαύρες τρύπες στα κέντρα τους. Στο τυπικό σενάριο σχηματισμού γαλαξιών, οι γαλαξίες αναπτύσσονται ενώνοντας το ένα το άλλο με το τράβηγμα της βαρύτητας. Στη διαδικασία αυτή, οι μαύρες τρύπες στο κέντρο τους συγχωνεύονται και αναπτύσσονται γρήγορα για να φθάσουν στις παρατηρούμενες μάζες τους ένα δισεκατομμύριο φορές από τον Ήλιο. Ως εκ τούτου, ονομάζονται υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Επίσης κατά τη συγχώνευση, η πλειονότητα των αστεριών σχηματίζεται από το διαθέσιμο αέριο. Οι σημερινοί γαλαξίες και οι κεντρικές μαύρες τρύπες τους πρέπει να είναι το αποτέλεσμα μιας σειράς τέτοιων γεγονότων.
Η Di Matteo και οι συνεργάτες της προσομοίωσαν τη σύγκρουση δύο νεογέννητων γαλαξιών και διαπίστωσαν ότι όταν οι δύο γαλαξίες ενώθηκαν, οι δύο υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες τους συγχωνεύτηκαν και αρχικά κατανάλωσαν το περιβάλλον αέριο. Αλλά αυτή η δραστηριότητα ήταν αυτοπεριοριζόμενη. Καθώς η υπερμεγέθη μαύρη τρύπα του γαλαξία απορρόφησε αέριο, τροφοδότησε μια φωταυγή κατάσταση που ονομάζεται κβάζαρ. Το κβάζαρ ενεργοποίησε το περιβάλλον αέριο σε τέτοιο επίπεδο που εκτοξεύτηκε μακριά από την κοντινή μαύρη τρύπα στο εξωτερικό του γαλαξία. Χωρίς κοντινό αέριο, η υπερμεγέθη μαύρη τρύπα του γαλαξία δεν θα μπορούσε να «φάει» για να διατηρηθεί και να αδρανοποιηθεί. Ταυτόχρονα, το αέριο δεν ήταν πλέον διαθέσιμο για να σχηματίσει άλλα αστέρια.
«Ανακαλύψαμε ότι η ενέργεια που απελευθερώνεται από τις μαύρες τρύπες κατά τη διάρκεια μιας φάσης κβάζαρ τροφοδοτεί έναν ισχυρό άνεμο που εμποδίζει το υλικό να πέσει στη μαύρη τρύπα», δήλωσε ο Σπρίνγκελ. «Αυτή η διαδικασία αναστέλλει την περαιτέρω ανάπτυξη της μαύρης τρύπας και διακόπτει το κβάζαρ, ακριβώς όπως ο σχηματισμός των αστεριών σταματά μέσα σε έναν γαλαξία. Ως αποτέλεσμα, η μάζα της μαύρης τρύπας και η μάζα των αστεριών σε έναν γαλαξία συνδέονται στενά. Τα αποτελέσματά μας εξηγούν επίσης για πρώτη φορά γιατί η διάρκεια ζωής του κβάζαρ είναι τόσο σύντομη σε σύγκριση με τη ζωή ενός γαλαξία. "
Στις προσομοιώσεις τους, οι Di Matteo, Springel και Hernquist διαπίστωσαν ότι οι μαύρες τρύπες στους μικρούς γαλαξίες περιορίζουν την ανάπτυξή τους πιο αποτελεσματικά από ό, τι σε εκείνους των μεγαλύτερων γαλαξιών. Ένας μικρότερος γαλαξίας περιέχει μικρότερες ποσότητες αερίου, έτσι ώστε μια μικρή ποσότητα ενέργειας από τη μαύρη τρύπα μπορεί γρήγορα να εκτοξεύσει αυτό το αέριο. Σε έναν μεγάλο γαλαξία, η μαύρη τρύπα μπορεί να φτάσει σε μεγαλύτερο μέγεθος προτού το περιβάλλον αέριο ενεργοποιηθεί αρκετά για να σταματήσει να πέφτει. Με το αέριο τους να ξοδεύεται γρήγορα, οι μικρότεροι γαλαξίες κάνουν λιγότερα αστέρια. Με μια μακρόχρονη δεξαμενή αερίου, οι μεγαλύτεροι γαλαξίες δημιουργούν περισσότερα αστέρια. Αυτά τα ευρήματα ταιριάζουν με την παρατηρούμενη σχέση μεταξύ του μεγέθους της μαύρης τρύπας και της συνολικής μάζας των αστεριών στους γαλαξίες.
«Οι προσομοιώσεις μας δείχνουν ότι η αυτορρύθμιση μπορεί ποσοτικά να εξηγήσει τα παρατηρούμενα γεγονότα που σχετίζονται με τις μαύρες τρύπες και τους γαλαξίες», δήλωσε ο Hernquist, καθηγητής και πρόεδρος της αστρονομίας στη Σχολή Τεχνών και Επιστημών του Χάρβαρντ. «Παρέχει μια εξήγηση για την προέλευση της διάρκειας ζωής του κβάζαρ και πρέπει να μας επιτρέψει να καταλάβουμε γιατί τα κβάζαρ ήταν πιο άφθονα στον πρώιμο κόσμο από ό, τι είναι σήμερα».
«Με αυτούς τους υπολογισμούς, βλέπουμε τώρα ότι οι μαύρες τρύπες πρέπει να έχουν τεράστιο αντίκτυπο στον τρόπο με τον οποίο σχηματίζονται και εξελίσσονται οι γαλαξίες», δήλωσε ο Di Matteo. «Οι επιτυχίες που έχουν επιτευχθεί μέχρι τώρα θα μας επιτρέψουν να εφαρμόσουμε αυτά τα μοντέλα σε μεγαλύτερα προσομοιωμένα σύμπαντα, ώστε να καταλάβουμε πόσο μεγάλοι πληθυσμοί μαύρων οπών και γαλαξιών επηρεάζουν ο ένας τον άλλον σε ένα κοσμολογικό πλαίσιο».
Η ομάδα διεξήγαγε τις προσομοιώσεις τους με τους εκτεταμένους υπολογιστικούς πόρους του Κέντρου Παράλληλης Αστροφυσικής Πληροφορικής στο Κέντρο Αστροφυσικής του Χάρβαρντ-Σμιθσονιάν και στο Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft στο Garching.
Πρωτότυπη πηγή: Δελτίο ειδήσεων Max Planck Institute
