Dlaczego uważamy, że super masywne czarne dziury w centrach dwóch łączących się galaktyk same się połączyły?

Podczas słuchania podcastów lub oglądania filmów na YouTube astronomów omawiających fuzje galaktyk, często słyszę rozmowy o tym, jak supermasywne czarne dziury w ich ośrodkach same się łączą podczas zderzenia lub wkrótce po nim. Dlaczego uważamy, że tak jest?

Z góry oczekiwałbym, że SMBH będą zachowywać się tak samo jak wszystkie inne obiekty galaktyczne. Mogą być wyjątkowo masywne, ale pod względem fizycznym wciąż są maleńkie w porównaniu do ogromnej pustej przestrzeni między gwiazdami w galaktyce. Zderzenia między obiektami (nie licząc gigantycznych chmur gazu i pyłu) byłyby niezwykle rzadkie, więc dlaczego robimy wyjątek dla SMBH?

Widziałem przypadek ich połączenia w (rzadkim?) Przypadku, w którym galaktyki-gospodarze uderzają o siebie w taki sposób, że wzajemne centrum masy pokrywa się z ich poszczególnymi centrami masy. W takim przypadku SMBH mogłyby być wystarczająco blisko, aby krążyć wokół siebie, tracąc energię na fale grawitacyjne i ostatecznie łącząc się. Sądzę jednak, że ten scenariusz jest raczej rzadki. Uważam za bardziej prawdopodobne, że średnie połączenie galaktyk pozostawiłoby SMBH niezależnie krążące wokół centrum połączonej galaktyki, zbyt daleko od siebie, aby stracić jakąkolwiek znaczącą energię kinetyczną na fale grawitacyjne.

Astronomowie, którzy mówią o połączeniach galaktycznych, wiedzą o wiele więcej niż ten temat, więc zakładam, że w moich przypuszczeniach lub w moim rozumieniu fizyki są wady. czego mi brakuje?

SMBH znajdują się na dnie potencjałów galaktycznych, które są zdominowane przez halo ciemnej materii galaktyk. Ale chociaż ciemna materia dominuje grawitację, zderzenia cząstek gazu i pyłu w ośrodku międzygwiezdnym powodują wystarczające tarcie, że barionowy składnik galaktyk zostaje spowolniony. Spowoduje to również spowolnienie innych elementów galaktyk poprzez przyciąganie grawitacyjne.

Co więcej, mimo że ciemna materia (a w praktyce gwiazdy i czarne dziury, ponieważ są tak małe) są bezkolizyjne, istnieje kilka sposobów „rozluźnienia”, tj. Ewolucji w kierunku równowagi. W kontekście scalania się galaktyk najważniejszym (jak sądzę) mechanizmem jest „gwałtowne rozluźnienie”, w którym szybka zmiana potencjału grawitacyjnego powoduje rozluźnienie cząstek, np. Bardziej masywne cząsteczki mają tendencję do przenoszenia większej ilości energii do swoich lżejszych sąsiadów i w ten sposób stają się ściślej związane, opadając w kierunku środka potencjału grawitacyjnego.

Chociaż SMBH są… cóż, supermasywne, potencjał (zwykle) będzie zdominowany przez ciemną materię, gaz i gwiazdy, więc nowy potencjał grawitacyjny spowoduje również, że SMBH będą szukać w kierunku dna w ten sam sposób i ostatecznie się połączą.

Krótka odpowiedź brzmi: „ tarcie dynamiczne ”: masywne obiekty poruszające się przez pole mniej masywnych obiektów tworzą „kilwater”, który je odciąga, prowadząc do utraty energii. Ponieważ SMBH są znacznie masywniejsze niż gwiazdy, cząsteczki i atomy gazu oraz cząstki ciemnej materii (cokolwiek by to nie było), są na to szczególnie podatne. Efektem netto jest to, że SMBH tracą energię i osiadają w centrum (połączonego) systemu.

Po utworzeniu układu podwójnego mogą również stracić energię poprzez spotkania 3-ciałami z gwiazdami w pobliżu (połączonego) centrum galaktyki: gwiazda wchodzi w interakcje z układem podwójnym SMBH i zyskuje energię (zwykle wyrzucaną z jądra galaktyki), podczas gdy układ binarny traci energię przez kurczenie się. Masywne galaktyki eliptyczne często mają gwiezdne „rdzenie” o niskiej gęstości, które zwykle uważa się za relikty jednej lub więcej rund połączeń binarnych SMBH. Jeśli w centrum galaktyki znajduje się dużo gazu, układ binarny może się również kurczyć poprzez oddziaływanie grawitacyjne z gazem.