Почему мы верим, что сверхмассивные черные дыры в центрах двух сливающихся галактик сами сольются?

18

Когда я слушаю подкасты или смотрю на YouTube видео астрономов, обсуждающих слияния галактик, я часто слышу разговоры о том, как сверхмассивные черные дыры в их центрах сами сольются во время или вскоре после столкновения. Почему мы считаем, что это так?

Априори я бы ожидал, что SMBH будут вести себя так же, как и все другие галактические объекты. Они могут быть чрезвычайно массивными, но физически они все еще ничтожны по сравнению с огромным пустым пространством между звездами в галактике. Столкновения между объектами (не считая гигантских облаков газа и пыли) были бы чрезвычайно редкими, так почему же мы делаем исключение для SMBH?

Я мог видеть случай их слияния в (редком?) Случае, когда галактики-хозяева ударяются друг о друга таким образом, что взаимный центр масс оказывается совпадающим с их отдельными центрами масс. В этом случае SMBH могут быть достаточно близко, чтобы вращаться вокруг друг друга, теряя энергию гравитационным волнам и в конечном итоге сливаясь. Я думаю, что этот сценарий довольно редок. Я считаю более правдоподобным, что среднее слияние галактик оставит SMBH независимо вращающимся вокруг центра объединенной галактики, слишком далеко друг от друга, чтобы потерять какую-либо значительную кинетическую энергию для гравитационных волн.

Астрономы, которые говорят о слиянии галактик, знают намного больше, чем я, о предмете, поэтому я предполагаю, что в моих предположениях или в моем понимании физики есть недостатки. Что мне не хватает?

asgallant
источник
Хороший вопрос, asgallant. Боюсь, я не могу ответить на это.
Джон Даффилд

Ответы:

8

SMBH находятся в нижней части галактических потенциалов, в которых преобладают гало темной материи галактик. Но хотя темная материя доминирует над гравитацией, столкновения между частицами газа и пыли в межзвездной среде вызывают достаточное трение, чтобы барионная составляющая галактик замедлялась. Это приведет к тому, что другие компоненты галактик также замедлятся благодаря гравитационному притяжению.

Более того, несмотря на то, что темная материя (а на практике звезды и черные дыры, поскольку они такие маленькие) не имеют столкновений, существует несколько способов «расслабления», то есть эволюции к равновесию. В контексте слияния галактик наиболее важным механизмом (я думаю) является «насильственное расслабление», когда быстрое изменение гравитационного потенциала заставляет частицы расслабляться, например, более массивные частицы имеют тенденцию передавать больше энергии своим более легким соседям и, таким образом, становятся более тесно связаны, опускаясь к центру гравитационного потенциала.

Хотя SMBHs… ну, в общем, сверхмассивные, в потенциале (обычно) будут доминировать темная материя, газ и звезды, поэтому новый гравитационный потенциал также заставит SMBH стремиться к основанию таким же образом и в конечном итоге слиться.

Пела
источник
Если я правильно понимаю, что вы сказали правильно, то не только SMBH будут перемещаться в центр объединенных галактик - звезды, газ и пыль в ядрах галактик-прародителей также будут стремиться мигрировать в новый центр, поскольку Что ж. Если это так, то галактическое слияние может привести к безумству питания для SMBH, кульминацией которого станет их собственное слияние. Это правдоподобно?
asgallant
2
Это очень хороший вопрос, и на самом деле не так тривиально, как можно подумать. Это выходит за рамки моей области, но я думаю, что большинство ответов на эту тему приходят из численного моделирования, так как случаи, которые могут быть решены аналитически, слишком идеализированы. Невириализованная система, такая как две объединяющиеся галактики, превратится в вириализованное состояние, которое является не просто крахом всего. Моделирование N-тела показывает, что вначале система быстро сжимается (в масштабе времени порядка времени свободного падения) в компактную конфигурацию,… [продолжение]
pela
1
… После чего происходит ряд фаз расширения и сжатия, где частицы обмениваются энергией. Значительная часть частиц также выбрасывается на большие радиусы, что приводит к более продолжительному гало, но я думаю, что SMBHs сольются в начальной компактной фазе. Если вы хотите узнать больше, я могу порекомендовать Mo, Bosch и White's Galaxy Formation and Evolution, Cha. 5 и 12.4 (вы можете найти бесплатную версию PDF).
Пела
Хороший ответ. Кроме того, «Насильственное расслабление» является одним из моих любимых астрофизических терминов.
процветает
1
@Thriveth: Это мой любимый альбом Björk.
Пела
4

Короткий ответ - « динамическое трение »: массивные объекты, движущиеся через поле менее массивных объектов, создают «след», который оттягивает их назад, что приводит к потере энергии. Поскольку SMBH гораздо более массивны, чем звезды, молекулы и атомы газа, а также частицы темной материи (какими бы они ни были), они особенно подвержены этому. В результате SMBH теряет энергию и оседает в центре (объединенной) системы.

Как только они образуют двойную, они могут также потерять энергию при столкновении трех тел со звездами около (объединенного) центра галактики: звезда взаимодействует с двойной звездой SMBH и получает энергию (обычно выбрасываемую из ядра галактики), в то время как двойная энергия теряет энергию сжимаясь. Массивные эллиптические галактики часто имеют звездные «ядра» низкой плотности, которые обычно считаются реликтами одного или нескольких раундов слияний SMBH-бинарных. Если в центре галактики много газа, они могут также сжаться в двоичном состоянии благодаря гравитационному взаимодействию с газом.

Питер Эрвин
источник
1
Эффектное объяснение, спасибо за это.
Толстяк