Mengapa kita percaya bahwa lubang hitam super masif di pusat dua galaksi yang bergabung akan bergabung sendiri?

Saat mendengarkan podcast atau menonton video youtube dari para astronom yang membahas merger galaksi, saya sering mendengar pembicaraan tentang bagaimana lubang hitam super masif di pusat mereka akan bergabung sendiri selama atau tidak lama setelah tabrakan. Mengapa kita percaya ini yang terjadi?

A priori, saya harapkan SMBH untuk berperilaku sama seperti semua benda galaksi lainnya. Mereka mungkin luar biasa besar, tetapi secara fisik mereka masih sangat kecil dibandingkan dengan ruang kosong yang luas antara bintang-bintang di galaksi. Tabrakan antara objek (tidak termasuk awan gas dan debu raksasa) akan sangat jarang, jadi mengapa kita membuat pengecualian untuk SMBH?

Saya bisa melihat kasus untuk mereka bergabung dalam contoh (jarang?) Di mana galaksi tuan rumah saling menabrak sedemikian rupa sehingga pusat massa timbal balik terjadi bersamaan dengan pusat massa masing-masing. Dalam hal ini, SMBH's mungkin cukup dekat untuk mengorbit satu sama lain, kehilangan energi untuk gelombang gravitasi dan akhirnya bergabung. Saya akan berpikir bahwa skenario ini agak jarang terjadi. Saya merasa lebih masuk akal bahwa merger galaksi rata-rata akan meninggalkan SMBH yang secara independen mengorbit pusat galaksi gabungan, terlalu jauh untuk kehilangan energi kinetik yang signifikan akibat gelombang gravitasi.

Para astronom yang berbicara tentang merger galaksi tahu banyak hal lebih daripada yang saya lakukan tentang subjek, jadi saya berasumsi ada kekurangan dalam asumsi saya atau pemahaman saya tentang fisika. Apa yang saya lewatkan?

galaxy supermassive-black-hole

— sangat penting
sumber

Pertanyaan yang bagus, asgallant. Saya khawatir saya tidak bisa menjawabnya.

— John Duffield

Jawaban:

SMBH terletak di bagian bawah potensi galaksi, yang didominasi oleh lingkaran materi gelap galaksi. Tetapi meskipun materi gelap mendominasi gravitasi, tabrakan antara partikel gas dan debu di media antarbintang menyebabkan gesekan yang cukup sehingga komponen baryonic dari galaksi melambat. Ini akan menyebabkan komponen lain dari galaksi melambat juga, melalui gaya tarik gravitasi.

Selain itu, meskipun materi gelap (dan, dalam praktiknya, bintang dan lubang hitam karena mereka sangat kecil) tanpa tabrakan, ada beberapa cara "santai", yaitu untuk berevolusi menuju keseimbangan. Dalam konteks penggabungan galaksi, mekanisme yang paling penting (saya pikir) adalah "relaksasi dengan kekerasan", di mana perubahan cepat dari potensi gravitasi menyebabkan partikel menjadi rileks, misalnya partikel yang lebih masif cenderung mentransfer lebih banyak energi ke tetangga mereka yang lebih ringan sehingga menjadi lebih terikat erat, tenggelam menuju pusat potensi gravitasi.

Meskipun SMBH adalah…, yah, supermasif, potensi (biasanya) akan didominasi oleh materi gelap, gas, dan bintang, sehingga potensi gravitasi baru juga akan menyebabkan SMBH mencari ke arah bawah dengan cara yang sama, dan akhirnya bergabung.

— pela
sumber

Jika saya mengerti apa yang Anda katakan dengan benar, maka bukan hanya SMBH yang akan pindah ke pusat galaksi yang digabung - bintang, gas, dan debu di inti galaksi nenek moyang juga cenderung bermigrasi ke pusat baru sebagai baik. Jika demikian, maka merger galaksi dapat menghasilkan kegilaan makan bagi SMBH, yang berpuncak pada merger mereka sendiri. Apakah itu masuk akal?

— asgallant

Ini adalah pertanyaan yang sangat bagus, dan sebenarnya tidak sepele seperti yang mungkin dipikirkan orang. Ini di luar bidang saya, tetapi saya pikir sebagian besar jawaban pada topik ini berasal dari simulasi numerik, karena kasus-kasus yang dapat diselesaikan secara analitis terlalu ideal. Sebuah sistem yang tidak tervivialisasi, seperti dua galaksi yang bergabung, akan berevolusi menjadi keadaan terviriisasi, yang bukan hanya runtuhnya segalanya. Simulasi N-body menunjukkan bahwa pada awalnya, sistem berkontraksi dengan cepat (pada skala waktu urutan waktu jatuh bebas) ke konfigurasi yang ringkas,… [lanjutan]

— pela

... setelah itu serangkaian fase ekspansi dan kontraksi berlangsung, di mana partikel-partikel bertukar energi. Sebagian besar partikel juga tersampir pada jari-jari besar, menghasilkan halo yang lebih panjang, tapi saya pikir SMBH akan bergabung dalam fase awal yang padat. Jika Anda ingin tahu lebih banyak, saya dapat merekomendasikan Mo, Bosch, & White's Galaxy Formation and Evolution, Cha. 5 dan 12.4 (Anda dapat menemukan versi pdf gratis).

— pela

Jawaban bagus. Juga, "Relaksasi yang hebat" adalah salah satu istilah astrofisika favorit saya.

— Thriveth

@Thriveth: Ini album Björk favorit saya.

— pela

Jawaban singkatnya adalah " gesekan dinamis ": objek besar bergerak melalui bidang objek kurang besar menciptakan "bangun" yang menarik kembali pada mereka, yang menyebabkan hilangnya energi. Karena SMBH jauh lebih masif daripada bintang, molekul dan atom gas, dan partikel materi gelap (apa pun itu), mereka sangat rentan terhadap hal ini. Efek bersihnya adalah bagi SMBH untuk kehilangan energi dan menetap di pusat sistem (gabungan).

Begitu mereka membentuk biner, mereka juga dapat kehilangan energi melalui pertemuan 3-tubuh dengan bintang-bintang di dekat pusat galaksi (gabungan): bintang berinteraksi dengan biner SMBH dan mendapatkan energi (biasanya dikeluarkan dari inti galaksi), sedangkan biner kehilangan energi dengan menyusut. Galaksi elips masif sering kali memiliki "inti" bintang kerapatan rendah, yang biasanya dianggap sebagai peninggalan satu atau lebih putaran penggabungan biner SMBH. Jika ada banyak gas di pusat galaksi, mereka biner juga dapat menyusut melalui interaksi gravitasi dengan gas.

— Peter Erwin
sumber

Penjelasan yang spektakuler, terima kasih untuk itu.

— Fattie