Käyttämällä uutta galaksien muodostumisen tietokonemallia, tutkijat ovat osoittaneet, että kasvavat mustat aukot vapauttavat energian räjähdyksen, joka säätelee pohjimmiltaan galaktien evoluutiota ja itse mustien reikien kasvua. Malli selittää ensimmäistä kertaa havaittuja ilmiöitä ja lupaa antaa syvemmälle käsityksen galaksien muodostumisesta ja mustien reikien roolista koko kosmisessa historiassa sen tekijöiden mukaan. Tulokset tuotti Carnegie Mellon -yliopiston astrofysiikan tutkija Tiziana Di Matteon ja hänen kollegoidensa kanssa, kun se ilmestyi 10. helmikuuta ilmestyvässä Nature-lehdessä, kun hän työskenteli Max Planck Institut Astrophysik -urkistossa Saksassa. Di Matteon yhteistyökumppaneita ovat mm. Volker Springel Max-Planckin astrofysiikan instituutissa ja Lars Hernquist Harvardin yliopistossa.
"Viime vuosina tutkijat ovat alkaneet ymmärtää, että tähtien kokonaismassa nykypäivän galakseissa vastaa suoraan galaksin mustan aukon kokoa, mutta toistaiseksi kukaan ei pystynyt ottamaan huomioon tätä havaittua suhdetta", sanoi Di Matteo, fysiikan apulaisprofessori Carnegie Mellonissa. "Simulaatioiden käyttäminen on antanut meille aivan uuden tavan tutkia tätä ongelmaa."
Avain tutkijoille? läpimurto sisälsi mustan aukon dynamiikan laskelmien sisällyttämisen galaksien muodostumisen laskennalliseen malliin.
Koska galaksit muodostuivat varhaisessa maailmankaikkeudessa, ne sisälsivät todennäköisesti pieniä mustia reikiä keskuksissaan. Galaktien muodostumisen vakioskenaariossa galaksit kasvavat tullessaan yhteen toistensa kanssa painovoiman vetämällä. Prosessissa niiden keskiosassa olevat mustat aukot sulautuvat yhteen ja kasvavat nopeasti saavuttaakseen havaitut massat, jotka ovat miljardia kertaa aurinkoisempia; siksi niitä kutsutaan supermassiivisiksi mustiksi reikiksi. Myös sulautumisen yhteydessä suurin osa tähtiä muodostuu käytettävissä olevasta kaasusta. Nykypäivän galaksien ja niiden keskeisten mustien reikien on oltava seurausta joukosta tällaisia tapahtumia.
Di Matteo ja hänen kollegansa simuloivat kahden syntyvän galaksin törmäystä ja havaitsivat, että kun nämä kaksi galaksia tulivat yhteen, heidän kaksi supermassiivista mustaa reikäänsä yhdistyivät ja käyttivät aluksi ympäröivää kaasua. Mutta tämä toiminta oli itserajoittavaa. Kun jäännöllisen galaksin supermassiivinen musta reikä imi kaasua, se sai aikaan luminesenssitilan, jota kutsutaan kvasariksi. Kvaari viritti ympäröivän kaasun sellaiselle tasolle, että se puhallettiin supermassiivisen mustan aukon läheisyydestä galaksin ulkopuolelle. Ilman lähellä olevaa kaasua galaksin supermassiivinen musta reikä ei voinut “syödä” ylläpitääkseen itsensä ja muuttui lepotilaan. Samaan aikaan kaasua ei ollut enää saatavana enää tähtiä.
"Olemme huomanneet, että kvaasarivaiheen aikana mustien reikien vapauttama energia antaa voimakkaan tuulen, joka estää materiaalia putoamasta mustaan reikään", Springel kertoi. ”Tämä prosessi estää mustien aukkojen lisääntymistä ja sammuttaa kvaasarin, aivan kuten tähtimuodostus pysähtyy galaksin sisällä. Seurauksena mustan aukon massa ja tähteiden massa galaksissa liittyvät läheisesti toisiinsa. Tuloksemme selittävät myös ensimmäistä kertaa miksi kvaasarin elinaika on niin lyhyt vaihe verrattuna galaksin elämään. ”
Di Matteo, Springel ja Hernquist havaitsivat simulaatioissaan, että pienten galaksien mustat aukot rajoittavat itse kasvuaan tehokkaammin kuin suurempien galaksien kohdalla. Pienempi galaksi sisältää pienempiä määriä kaasua, joten pieni määrä energiaa mustasta reiästä voi puhalla tämän kaasun nopeasti. Suuressa galaksissa musta reikä voi saavuttaa suuremman koon, ennen kuin sitä ympäröivään kaasuun saadaan virtaa niin paljon, että se ei voi pudota. Pienemmissä galakseissa on vähemmän tähtiä, kun kaasu kuluu nopeasti. Pidemmällä elinikäisellä bensiinialuksella suuret galaksit tekevät enemmän tähtiä. Nämä löydöt vastaavat havaittua suhdetta mustan aukon koon ja tähtiä kokonaismassan välillä galakseissa.
"Simulaatiomme osoittavat, että itsesääntely voi kvantitatiivisesti ottaa huomioon havaitut tosiasiat, jotka liittyvät mustiin reikiin ja galakseihin", sanoi Hernquist, professori ja tähtitieteen puheenjohtaja Harvardin taiteiden ja tieteiden tiedekunnassa. "Se selittää kvaasarin elinajan alkuperän, ja sen pitäisi antaa meille ymmärtää, miksi kvartaareja oli varhaisessa universumissa runsaammin kuin nykyään."
"Näiden laskelmien avulla näemme nyt, että mustilla reikillä on oltava valtava vaikutus galaksien muodostumiseen ja kehittymiseen", Di Matteo sanoi. "Tähän mennessä saatujen menestysten ansiosta voimme toteuttaa nämä mallit laajemmissa simuloiduissa maailmankaikkeuksissa, jotta voimme ymmärtää kuinka suuret mustien aukkojen ja galaksien populaatiot vaikuttavat toisiinsa kosmologisessa yhteydessä."
Ryhmä ajoi simulaatioitaan Harvard-Smithsonian Astrofysiikan keskuksen ja Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft -yrityksen laajassa laskentaresurssissa Parallel Astrophysical Computing -keskuksessa Garchingissa.
Alkuperäinen lähde: Max Planck Institute -lehden lehdistötiedote
