Forskere undersøger træk ved stjernehobe omkring supermassive sorte huller

I centrum af galaksen, millioner af stjerner hvirvler i kredsløb omkring et supermassivt sort hul. Dette kredsløb kan tage alt fra et par timer for stjerner tæt på begivenhedshorisonten for det sorte hul til tusinder af år for deres fjerne naboer. Dansens karakter – hvordan stjernerne interagerer kollektivt gennem deres gravitationskræfter – kan variere fra galakse til galakse.

I avisen, "Order-forstyrrelse faseovergang i sorte huls stjerneklynger, " offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve den 12. juli, 2019, videnskabsmænd fra Institute for Advanced Study, American University of Beirut, og Leiden University har taget de første skridt i retning af at forstå de kollektive orbitale mønstre, der opstår i stjernehobe, der omgiver et supermassivt sort hul. Ved at studere disse stjernehobe og hvordan de udvikler sig, forskere får ny indsigt i supermassive sorte hullers adfærd og deres indflydelse på deres stjernernes omgivelser.

Baseret på en række numeriske modeller og simuleringer, holdet har vist, at sorte huls stjernehobe kan gennemgå en faseovergang fra en sfærisk tilstand til en skæv tilstand, når de afkøles under en kritisk dynamisk temperatur. Denne faseovergang, i nogle forstand, ligner den faseovergang, der sker, når en væske ændres til et fast stof. Ligesom molekyler kan skifte fra en uordnet flydende tilstand til en tilstand, hvor de er frosset på plads, disse stjernehobe er i stand til at opnå ligevægt i enten en uordnet (sfærisk) eller en ordnet (skæv) struktur, afhængig af deres egenskaber og miljø.

"Disse systemer udviser overraskende rig adfærd, med bemærkelsesværdige paralleller til velundersøgte laboratoriefænomener som frysning og ferromagnetisme, " sagde Scott Tremaine, Richard Black professor ved Institute for Advanced Study, en af ​​avisens tre forfattere. "Disse nye fænomener kan dramatisk ændre vores forståelse af miljøet af supermassive sorte huller og forbedre vores evne til at forstå hastigheden og egenskaberne ved supermassive sorte hullers fusioner, forbrug af stjerner ved sorte huller, og andre fænomener i galaksernes centre."

En skæv nuklear stjernehob, der omgiver et supermassivt sort hul, ses på Hubble Space Telescope-billeder af den nærliggende Andromedagalakse. På den anden side, vores hjemlige Mælkevejsgalakse og M87 – for nylig afbildet af Event Horizon Telescope – har sfæriske klynger. For fjernere galakser, de nukleare stjernehobe er for små til at blive afbildet af eksisterende teleskoper, men klyngeformerne kan i høj grad påvirke forbigående begivenheder, som vi kan observere, såsom udbrud fra tidevandsforstyrrede stjerner og gravitationsbølgesignaler fra stjerner, der spiraler ind i det sorte hul.

"Det nuværende arbejde er, på mere end én måde, kulminationen på vores forskningsprogram om de termiske egenskaber af sorte huls stjernehobe. Det lægger grundlaget for at studere deres kollektive reaktion på evolutionære og miljømæssige forstyrrelser, " sagde Jihad Touma, en anden af ​​avisens forfattere. "Vi mener, at de modelsystemer, som vi har identificeret og analyseret, er realistiske og alsidige nok til at spille for tyngdekraften den rolle, som Ising-modellen spillede og fortsætter med at spille for magnetisme."

Yderligere undersøgelse af, hvordan nukleare stjernehobe dannes og udvikler sig, vil være nødvendig for at bestemme, hvor ofte faseovergange af denne art forekommer i naturen. Imidlertid, tilstedeværelsen af ​​en skæv klynge i Andromeda, vores galakses nærmeste store nabogalakse, antyder, at dette er en almindelig proces i universet.

Forskerholdet består af Jihad Touma fra American University of Beirut og et tidligere IAS-medlem og besøgende (2007-09; 2013-14; 2017) på School of Natural Sciences; Scott Tremaine fra Institute for Advanced Study; og Mher Kazandjian fra Leiden Universitet.

Et link til papiret, der beskriver holdets metoder, er tilgængeligt her. Teamet anerkender brugen af ​​IAS-computerfaciliteter til at udføre beregninger, der er afgørende for deres arbejde.