Met behulp van een nieuw computermodel van de vorming van sterrenstelsels hebben onderzoekers aangetoond dat groeiende zwarte gaten een explosie van energie afgeven die de evolutie van sterrenstelsels en de groei van zwart gaten zelf fundamenteel reguleert. Het model verklaart voor het eerst waargenomen verschijnselen en belooft volgens de makers dieper inzicht te geven in ons begrip van de vorming van sterrenstelsels en de rol van zwarte gaten in de kosmische geschiedenis. Gepubliceerd in het nummer van 10 februari van Nature, werden de resultaten gegenereerd door Carnegie Mellon University astrofysicus Tiziana Di Matteo en haar collega's bij het Max Planck Institut fur Astrophysik in Duitsland. Di Matteo's medewerkers zijn Volker Springel van het Max-Planck Institut for Astrophysics en Lars Hernquist van de Harvard University.
"In de afgelopen jaren zijn wetenschappers begonnen te beseffen dat de totale massa van sterren in de huidige sterrenstelsels rechtstreeks overeenkomt met de grootte van het zwarte gat van een sterrenstelsel, maar tot nu toe kon niemand deze waargenomen relatie verklaren", zei Di Matteo, assistent-professor natuurkunde aan Carnegie Mellon. "Het gebruik van onze simulaties heeft ons een compleet nieuwe manier gegeven om dit probleem te onderzoeken."
De sleutel van de onderzoekers? doorbraak was het opnemen van berekeningen voor de dynamiek van zwarte gaten in een computationeel model van de vorming van sterrenstelsels.
Omdat sterrenstelsels in het vroege heelal werden gevormd, bevatten ze waarschijnlijk kleine zwarte gaten in hun centra. In het standaard scenario van de vorming van sterrenstelsels groeien sterrenstelsels door samen te komen door de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. Daarbij smelten de zwarte gaten in hun centrum samen en groeien snel om hun waargenomen massa van een miljard keer die van de zon te bereiken; daarom worden ze superzware zwarte gaten genoemd. Ook op het moment van fusie vormen de meeste sterren uit beschikbaar gas. De huidige sterrenstelsels en hun centrale zwarte gaten moeten het resultaat zijn van een reeks van dergelijke gebeurtenissen.
Di Matteo en haar collega's simuleerden de botsing van twee ontluikende sterrenstelsels en ontdekten dat toen de twee sterrenstelsels samenkwamen, hun twee superzware zwarte gaten samensmolten en aanvankelijk het omringende gas verbruikten. Maar deze activiteit was zelfbeperkend. Terwijl het superzware zwarte gat van het overblijvende sterrenstelsel gas opzoog, dreef het een lichtgevende toestand aan die een quasar wordt genoemd. De quasar voorzag het omringende gas van een dusdanig niveau dat het weggeblazen werd van de omgeving van het superzware zwarte gat naar de buitenkant van de melkweg. Zonder gas in de buurt kon het superzware zwarte gat van de melkweg niet 'eten' om zichzelf in stand te houden en werd het slapend. Tegelijkertijd was er geen gas meer beschikbaar om meer sterren te vormen.
"We hebben ontdekt dat de energie die door zwarte gaten vrijkomt tijdens een quasar-fase een sterke wind aandrijft die voorkomt dat materiaal in het zwarte gat valt," zei Springel. “Dit proces remt de verdere groei van zwarte gaten en sluit de quasar af, net zoals de stervorming stopt in een sterrenstelsel. Hierdoor zijn de massa van het zwarte gat en de massa van sterren in een sterrenstelsel nauw met elkaar verbonden. Onze resultaten verklaren ook voor het eerst waarom de quasar-levensduur zo'n korte fase is in vergelijking met de levensduur van een sterrenstelsel. ”
Di Matteo, Springel en Hernquist ontdekten in hun simulaties dat de zwarte gaten in kleine sterrenstelsels hun groei effectiever beperken dan die in grotere sterrenstelsels. Een kleiner sterrenstelsel bevat kleinere hoeveelheden gas, zodat een kleine hoeveelheid energie uit het zwarte gat dit gas snel kan wegblazen. In een groot sterrenstelsel kan het zwarte gat groter worden voordat het omringende gas genoeg energie krijgt om niet meer naar binnen te vallen. Omdat hun gas snel wordt verbruikt, maken kleinere sterrenstelsels minder sterren. Met een gaspoel met een langere levensduur maken grotere sterrenstelsels meer sterren. Deze bevindingen komen overeen met de waargenomen relatie tussen de grootte van het zwarte gat en de totale massa van sterren in sterrenstelsels.
"Onze simulaties tonen aan dat zelfregulatie kwantitatief de waargenomen feiten in verband met zwarte gaten en sterrenstelsels kan verklaren", zegt Hernquist, professor en voorzitter van de astronomie aan de Harvard-faculteit Letteren en Wetenschappen. "Het geeft een verklaring voor de oorsprong van het quasar-leven en zou ons in staat moeten stellen te begrijpen waarom quasars in het vroege universum overvloediger waren dan nu."
"Met deze berekeningen zien we nu dat zwarte gaten een enorme impact moeten hebben op de manier waarop sterrenstelsels zich vormen en evolueren", zei Di Matteo. "De successen die tot dusver zijn behaald, zullen ons in staat stellen deze modellen te implementeren in grotere gesimuleerde universa, zodat we kunnen begrijpen hoe grote populaties zwarte gaten en sterrenstelsels elkaar beïnvloeden in een kosmologische context."
Het team heeft hun simulaties uitgevoerd met de uitgebreide rekenkracht van het Center for Parallel Astrophysical Computing in het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en in het Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft in Garching.
Oorspronkelijke bron: Max Planck Institute News Release
