Використовуючи нову комп'ютерну модель формування галактик, дослідники показали, що зростаючі чорні діри вивільняють вибух енергії, який принципово регулює еволюцію галактики та сам ріст чорної діри. Модель пояснює вперше спостережувані явища та обіцяє надати більш глибоке уявлення про наше розуміння утворення галактики та роль чорних дір у всій космічній історії, за словами її творців. Опубліковані у випуску Nature за 10 лютого, результати були створені астрофізиком університету Карнегі Меллона Тізіаною Ді Маттео та її колегами, перебуваючи в Інституті Макса Планка в Астрофізику в Німеччині. Співробітниками Ді Маттео є Волкер Спрингел з Інституту астрофізики Макса-Планка та Ларс Ернкіст з Гарвардського університету.
"В останні роки вчені почали розуміти, що загальна маса зірок у сьогоднішніх галактиках безпосередньо відповідає розміру чорної діри галактики, але до цих пір ніхто не міг пояснити цей спостережуваний взаємозв'язок", - сказав Ді Маттео, доцент фізики Карнегі Меллон. "Використання наших симуляцій дало нам абсолютно новий спосіб дослідити цю проблему".
Ключ для дослідників? прорив включав обчислення динаміки чорної діри в обчислювальну модель утворення галактик.
Оскільки галактики утворилися в ранньому Всесвіті, вони, ймовірно, містили в своїх центрах невеликі чорні діри. У стандартному сценарії утворення галактик галактики зростають, поєднуючись одна з одною шляхом тяжіння сили тяжіння. У процесі чорні діри в їх центрі зливаються разом і швидко зростають, досягнувши спостережуваних мас у мільярд разів більше, ніж у Сонця; отже, їх називають надмасивними чорними дірами. Також під час злиття більшість зірок утворюється з наявного газу. Сьогоднішні галактики та їх центральні чорні діри повинні бути результатом низки таких подій.
Ді Маттео та її колеги імітували зіткнення двох народжених галактик і виявили, що коли дві галактики зійшлися, їх дві надмасивні чорні діри злилися та спочатку споживали навколишній газ. Але ця діяльність була обмежуючою. Оскільки надмасивна чорна діра залишків галактики всмоктувала газ, вона живила люмінесцентний стан, який називався квазаром. Квазар енергіював навколишній газ до такого рівня, що його здувало з околиць надмасивної чорної діри до зовнішньої сторони Галактики. Без газу, що знаходиться поблизу, надмасивна чорна діра галактики не могла б "їсти", щоб витримати себе, і заснула. У той же час газ більше не був доступний для формування більше зірок.
"Ми виявили, що енергія, яка виділяється чорними дірами під час квазарної фази, подає сильний вітер, який запобігає потраплянню матеріалу в чорну діру", - сказав Спрингел. "Цей процес гальмує подальший ріст чорної діри і вимикає квазар так само, як утворення галактики зупиняється всередині галактики. В результаті маса чорної діри та маса зірок у галактиці тісно пов'язані. Наші результати також вперше пояснюють, чому життя квазара є такою короткою фазою порівняно з життям галактики ».
У своїх моделюваннях Ді Маттео, Спрингел та Ерквіст виявили, що чорні діри в малих галактиках самообмежують свій ріст ефективніше, ніж у великих галактиках. Менша галактика містить меншу кількість газу, так що невелика кількість енергії з чорної діри може швидко видути цей газ. У великій галактиці чорна діра може досягати більших розмірів до того, як навколишній газ буде енергозабезпеченим, щоб перестати потрапляти. З їх газом швидко витрачаються, менші галактики складають менше зірок. Маючи довше живучий басейн, більші галактики складають більше зірок. Ці результати відповідають спостережуваному співвідношенню між розмірами чорної діри та загальною масою зірок у галактиках.
"Наші симуляції демонструють, що саморегуляція може кількісно пояснювати спостережувані факти, пов'язані з чорними дірами та галактиками", - сказав Гернквіст, професор і кафедра астрономії Гарвардського факультету мистецтв і наук. "Це дає пояснення походження життя квазара і повинно дати нам змогу зрозуміти, чому квазари були в більшій кількості в ранньому Всесвіті, ніж сьогодні".
"Тепер за допомогою цих обчислень ми бачимо, що чорні діри повинні мати величезний вплив на спосіб формування та розвитку галактик", - сказав Ді Маттео. "Досягнуті досі успіхи дозволять нам реалізувати ці моделі в більш симульованих всесвітах, щоб ми могли зрозуміти, як великі популяції чорних дір і галактик впливають один на одного в космологічному контексті".
Команда проводила свої імітації за допомогою широких обчислювальних ресурсів Центру паралельних астрофізичних обчислень при Гарвард-Смітсонівському центрі астрофізики та в Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft в Garching.
Оригінальне джерело: Новини Інституту Макса Планка
