Warum glauben wir, dass die supermassereichen Schwarzen Löcher in den Zentren zweier verschmelzender Galaxien selbst verschmelzen würden?

Wenn ich mir Podcasts anhöre oder YouTube-Videos von Astronomen ansehe, die über Galaxienverschmelzungen diskutieren, höre ich oft darüber reden, wie die supermassereichen Schwarzen Löcher in ihren Zentren während oder kurz nach der Kollision selbst verschmelzen werden. Warum glauben wir, dass dies der Fall ist?

A priori würde ich erwarten, dass sich SMBHs genauso verhalten wie alle anderen galaktischen Objekte. Sie mögen außerordentlich massereich sein, aber physisch sind sie immer noch winzig im Vergleich zu dem riesigen leeren Raum zwischen den Sternen in einer Galaxie. Kollisionen zwischen Objekten (von gigantischen Gas- und Staubwolken abgesehen) wären außerordentlich selten, warum machen wir also eine Ausnahme für die SMBHs?

Ich könnte einen Fall sehen, in dem sie in dem (seltenen?) Fall verschmelzen, in dem die Wirtsgalaxien so aufeinander treffen, dass der gemeinsame Massenschwerpunkt zufällig mit ihren individuellen Massenschwerpunkten zusammenfällt. In diesem Fall könnten die SMBHs nahe genug sein, um einander zu umkreisen, Energie durch Gravitationswellen zu verlieren und schließlich zu verschmelzen. Ich denke aber, dass dieses Szenario eher selten vorkommt. Ich finde es plausibler, dass eine durchschnittliche Galaxienverschmelzung die SMBHs verlassen würde, die unabhängig voneinander das Zentrum der kombinierten Galaxie umkreisen, zu weit voneinander entfernt, um signifikante kinetische Energie an Gravitationswellen zu verlieren.

Die Astronomen, die über galaktische Verschmelzungen sprechen, wissen verdammt viel mehr als ich über das Thema, also nehme ich an, dass meine Annahmen oder mein Verständnis der Physik Fehler aufweisen. Was vermisse ich?

Antworten (2)

Die SMBHs befinden sich im unteren Teil der galaktischen Potentiale, die von den Halos aus dunkler Materie der Galaxien dominiert werden. Doch obwohl dunkle Materie die Gravitation dominiert, verursachen Kollisionen zwischen Gas- und Staubpartikeln im interstellaren Medium genügend Reibung, um die baryonische Komponente der Galaxien zu verlangsamen. Dies wird dazu führen, dass auch die anderen Komponenten der Galaxien durch Gravitationsanziehung verlangsamt werden: Beim Durchqueren des interstellaren Mediums wird die vom SMBH angezogene (baryonische und nicht-baryonische) Masse dazu neigen, hinter dem SMBH an Dichte zuzunehmen und ihn zu verlangsamen , und Effekt namens dynamische Reibung .

Obwohl dunkle Materie (und in der Praxis Sterne und schwarze Löcher, da sie so klein sind) kollisionsfrei ist, gibt es außerdem mehrere Möglichkeiten, sich zu "entspannen", dh sich in Richtung eines Gleichgewichts zu entwickeln. Im Zusammenhang mit der Verschmelzung von Galaxien ist der wichtigste Mechanismus (glaube ich) die "gewaltsame Entspannung", bei der die schnelle Änderung des Gravitationspotentials dazu führt, dass sich Teilchen entspannen, z. B. tendieren massereichere Teilchen dazu, mehr Energie auf ihre leichteren Nachbarn zu übertragen und so zu werden enger gebunden, zum Zentrum des Gravitationspotentials hin sinkend.

Obwohl SMBHs … nun ja, supermassereich sind, wird das Potenzial (normalerweise) von dunkler Materie, Gas und Sternen dominiert, sodass das neue Gravitationspotenzial die SMBHs auch dazu bringen wird, auf die gleiche Weise nach unten zu streben und schließlich zu verschmelzen.

Wenn ich Ihre Aussage richtig verstehe, dann sind es nicht nur die SMBHs, die sich in das Zentrum der verschmolzenen Galaxien bewegen würden – die Sterne, das Gas und der Staub in den Kernen der Vorläufergalaxien würden ebenfalls dazu neigen, in das neue Zentrum zu wandern Gut. Wenn ja, dann könnte die galaktische Fusion zu einem Fressrausch für die SMBHs führen, der in ihrer eigenen Fusion gipfelt. Ist das plausibel?
Das ist eine sehr gute Frage und eigentlich gar nicht so trivial, wie man meinen könnte. Dies liegt außerhalb meines Fachgebiets, aber ich denke, die meisten Antworten zu diesem Thema stammen aus numerischen Simulationen, da die Fälle, die analytisch gelöst werden können, zu idealisiert sind. Ein nichtvirialisiertes System, wie zwei verschmelzende Galaxien, wird sich zu einem virialisierten Zustand entwickeln, der nicht nur ein Zusammenbruch von allem ist. N-Körper-Simulationen zeigen, dass sich das System am Anfang schnell (auf einer Zeitskala in der Größenordnung der Freifallzeit) zu einer kompakten Konfiguration zusammenzieht, … [Fortsetzung]
…nach dem eine Reihe von Expansions- und Kontraktionsphasen stattfinden, in denen Teilchen Energie austauschen. Ein erheblicher Teil der Partikel wird auch auf große Radien geschleudert, was zu einem ausgedehnteren Halo führt, aber ich denke, die SMBHs werden in der anfänglichen, kompakten Phase verschmelzen. Wenn Sie mehr wissen wollen, kann ich Ihnen Galaxy Formation and Evolution, Cha von Mo, Bosch, & White empfehlen. 5 und 12.4 (Sie finden eine kostenlose PDF-Version).
Gute Antwort. Außerdem ist "heftige Entspannung" einer meiner liebsten astrophysikalischen Begriffe.
@Thriveth: Es ist mein Lieblingsalbum von Björk.
Nein , warte…
Wie viel wissen wir über den erwarteten Zeitrahmen für die Fusion der SMBHs?
@KeithThompson: Ich denke, es ist größer für BHs mit kleinerer Masse. Etwas wie <Gyr für Milliarde M ⊙ BHs, aber ein paar Gyr für Millionen M ⊙ BHs. Bei diesen Zahlen bin ich mir nicht ganz sicher, aber zumindest "kosmologische Zeitskalen".

Die kurze Antwort lautet „ dynamische Reibung “: Massive Objekte, die sich durch ein Feld aus weniger massiven Objekten bewegen, erzeugen einen „Nachlauf“, der sie zurückzieht, was zu Energieverlust führt. Da die SMBHs viel massiver sind als die Sterne, die Moleküle und Atome des Gases und die Teilchen der Dunklen Materie (was auch immer sie sein mögen), sind sie dafür besonders anfällig. Der Nettoeffekt besteht darin, dass die SMBHs Energie verlieren und sich im Zentrum des (kombinierten) Systems niederlassen.

Sobald sie eine Binärdatei bilden, können sie auch Energie durch 3-Körper-Begegnungen mit Sternen in der Nähe des (kombinierten) Galaxienzentrums verlieren: Ein Stern interagiert mit der SMBH-Binärdatei und gewinnt Energie (normalerweise aus dem Galaxienkern ausgestoßen), während die Binärdatei Energie verliert durch Schrumpfen. Massereiche elliptische Galaxien haben oft stellare "Kerne" geringer Dichte, von denen normalerweise angenommen wird, dass sie die Relikte einer oder mehrerer Runden von SMBH-binären Verschmelzungen sind. Wenn sich im Zentrum der Galaxie viel Gas befindet, können sie auch durch Gravitationswechselwirkungen mit dem Gas schrumpfen.

Spektakuläre Erklärung, danke dafür.
Warum glauben wir, dass die supermassereichen Schwarzen Löcher in den Zentren zweier verschmelzender Galaxien selbst verschmelzen würden?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v