Hvordan galakser dør:Ny indsigt i slukningen af ​​stjernedannelse

Astronomer, der studerer galakseudvikling, har længe kæmpet for at forstå, hvad der får stjernedannelsen til at lukke ned i massive galakser. Selvom mange teorier er blevet foreslået for at forklare denne proces, kendt som "slukning, "Der er stadig ingen konsensus om en tilfredsstillende model.

Nu, et internationalt hold ledet af Sandra Faber, professor emerita i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz, har foreslået en ny model, der med succes forklarer en bred vifte af observationer om galaksestruktur, supermassive sorte huller, og udslukning af stjernedannelse. Forskerne præsenterede deres resultater i et papir offentliggjort 1. juli i Astrofysisk tidsskrift .

Modellen understøtter en af ​​de førende ideer om quenching, som tilskriver det sorte hul "feedback, " den energi, der frigives til en galakse og dens omgivelser fra et centralt supermassivt sort hul, når stof falder ned i det sorte hul og nærer dets vækst. Denne energiske feedback opvarmes, skyder ud, eller på anden måde forstyrrer galaksens gasforsyning, forhindre indfald af gas fra galaksens glorie for at føde stjernedannelse.

"Idéen er, at i stjernedannende galakser, det centrale sorte hul er som en parasit, der i sidste ende vokser og dræber værten, " forklarede Faber. "Det er blevet sagt før, men vi har ikke haft klare regler for at sige, hvornår et sort hul er stort nok til at lukke ned for stjernedannelse i sin værtsgalakse, og nu har vi kvantitative regler, der faktisk virker til at forklare vores observationer."

Den grundlæggende idé involverer forholdet mellem massen af ​​stjernerne i en galakse (stjernemasse), hvor spredte disse stjerner er (galaksens radius), og massen af ​​det centrale sorte hul. For stjernedannende galakser med en given stjernemasse, tætheden af ​​stjerner i centrum af galaksen korrelerer med galaksens radius, så galakser med større radier har lavere centrale stjernetætheder. Hvis vi antager, at massen af ​​det centrale sorte hul skalerer med den centrale stjernetæthed, stjernedannende galakser med større radier (ved en given stjernemasse) vil have lavere sorthulsmasser.

Hvad det betyder, Faber forklarede, er, at større galakser (dem med større radier for en given stjernemasse) skal udvikle sig yderligere og opbygge en højere stjernemasse, før deres centrale sorte huller kan vokse sig store nok til at slukke stjernedannelsen. Dermed, Galakser med lille radius slukker ved lavere masser end galakser med stor radius.

"Det er den nye indsigt, at hvis galakser med store radier har mindre sorte huller ved en given stjernemasse, og hvis sort hul-feedback er vigtig for quenching, så er galakser med stor radius nødt til at udvikle sig yderligere, " sagde hun. "Hvis du sammensætter alle disse antagelser, utroligt, du kan gengive et stort antal observerede tendenser i galaksernes strukturelle egenskaber."

Dette forklarer, for eksempel, hvorfor mere massive slukkede galakser har højere centrale stjernetætheder, større radier, og større centrale sorte huller.

Baseret på denne model, forskerne konkluderede, at quenching begynder, når den samlede energi, der udsendes fra det sorte hul, er cirka fire gange tyngdekraftens bindingsenergi af gassen i den galaktiske halo. Bindingsenergien refererer til den tyngdekraft, der holder gassen i den glorie af mørkt stof, der omslutter galaksen. Slukningen er fuldført, når den samlede energi, der udsendes fra det sorte hul, er tyve gange bindingsenergien af ​​gassen i den galaktiske halo.

Faber understregede, at modellen endnu ikke i detaljer forklarer de fysiske mekanismer, der er involveret i slukning af stjernedannelse. "De fysiske nøgleprocesser, som denne simple teori fremkalder, er endnu ikke forstået, " sagde hun. "Dyden af ​​dette, selvom, er, at det at have enkle regler for hvert trin i processen udfordrer teoretikere til at komme med fysiske mekanismer, der forklarer hvert trin."

Astronomer er vant til at tænke i diagrammer, der plotter relationerne mellem forskellige egenskaber ved galakser og viser, hvordan de ændrer sig over tid. Disse diagrammer afslører de dramatiske forskelle i strukturen mellem stjernedannende og slukkede galakser og de skarpe grænser mellem dem. Fordi stjernedannelse udsender meget lys i den blå ende af farvespektret, astronomer henviser til "blå" stjernedannende galakser, "røde" hvilende galakser, og den "grønne dal" som overgangen mellem dem. Hvilket stadie en galakse befinder sig i, afsløres af dens stjernedannelseshastighed.

En af undersøgelsens konklusioner er, at væksthastigheden af ​​sorte huller skal ændre sig, efterhånden som galakser udvikler sig fra et stadie til det næste. De observationsbeviser tyder på, at det meste af væksten af ​​sorte hul sker i den grønne dal, når galakser begynder at slukke.

"Det sorte hul ser ud til at blive sluppet løs, lige som stjernedannelsen bremser, " sagde Faber. "Dette var en åbenbaring, fordi det forklarer, hvorfor sorte huls masser i stjernedannende galakser følger én skaleringslov, mens sorte huller i slukkede galakser følger en anden skaleringslov. Det giver mening, hvis massen af ​​sorte hul vokser hurtigt, mens den er i den grønne dal."

Faber og hendes samarbejdspartnere har diskuteret disse spørgsmål i mange år. Siden 2010 har Faber har været med til at lede et stort Hubble Space Telescope-galakseundersøgelsesprogram (CANDELS, Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey), som producerede de data, der blev brugt i denne undersøgelse. Ved at analysere CANDELS-dataene, hun har arbejdet tæt sammen med et team ledet af Joel Primack, UCSC professor emeritus i fysik, som udviklede Bolshoi kosmologiske simulering af udviklingen af ​​de mørke stof-haloer, hvori galakser dannes. Disse glorier udgør det stillads, hvorpå teorien bygger den tidlige stjernedannende fase af galakseudviklingen, før den slukker.

De centrale ideer i papiret opstod fra analyser af CANDELS-data og slog Faber første gang for omkring fire år siden. "Det sprang pludselig ud på mig, og jeg indså, hvis vi satte alle disse ting sammen - hvis galakser havde en simpel bane i radius versus masse, og hvis sort huls energi skal overvinde halobindingsenergi - kan det forklare alle disse skrå grænser i strukturdiagrammerne for galakser, " hun sagde.

På det tidspunkt, Faber foretog hyppige ture til Kina, hvor hun har været involveret i forskningssamarbejder og andre aktiviteter. Hun var gæsteprofessor ved Shanghai Normal University, hvor hun mødte førsteforfatteren Zhu Chen. Chen kom til UC Santa Cruz i 2017 som gæsteforsker og begyndte at arbejde sammen med Faber om at udvikle disse ideer om galakseslukning.

"Hun er matematisk meget god, bedre end mig, og hun lavede alle beregningerne for dette papir, sagde Faber.

Faber krediterede også sin mangeårige samarbejdspartner David Koo, UCSC professor emeritus i astronomi og astrofysik, for først at fokusere opmærksomheden på galaksernes centrale tætheder som en nøgle til væksten af ​​centrale sorte huller.

Blandt gåderne, som denne nye model forklarer, er en slående forskel mellem vores Mælkevejsgalakse og dens meget lignende nabo Andromeda. "Mælkevejen og Andromeda har næsten den samme stjernemasse, men Andromedas sorte hul er næsten 50 gange større end Mælkevejens, " sagde Faber. "Ideen om, at sorte huller vokser meget i den grønne dal, går langt hen imod at forklare dette mysterium. Mælkevejen er lige på vej ind i den grønne dal, og dens sorte hul er stadig lille, hvorimod Andromeda netop er på vej ud, så dets sorte hul er blevet meget større, og den er også mere slukket end Mælkevejen."