باستخدام نموذج كمبيوتر جديد لتكوين المجرات ، أظهر الباحثون أن الثقوب السوداء المتزايدة تطلق انفجارًا للطاقة ينظم بشكل أساسي تطور المجرة ونمو الثقب الأسود نفسه. يوضح النموذج لأول مرة الظواهر المرصودة ويعد بتقديم رؤى أعمق في فهمنا لتكوين المجرات ودور الثقوب السوداء عبر التاريخ الكوني ، وفقًا لمبدعيها. تم نشر النتائج في عدد 10 فبراير من مجلة Nature ، وقد تم إنتاج النتائج من قبل عالمة الفيزياء الفلكية بجامعة كارنيجي ميلون تيزيانا دي ماتيو وزملاؤها أثناء وجودهم في معهد ماكس بلانك للفراء الفلكي في ألمانيا. من بين المتعاونين مع Di Matteo؟ فولكر سبرينغيل في معهد ماكس بلانك للفيزياء الفلكية ولارس هيرنكويست في جامعة هارفارد.
قال دي: "في السنوات الأخيرة ، بدأ العلماء يدركون أن الكتلة الإجمالية للنجوم في مجرات اليوم تتوافق بشكل مباشر مع حجم الثقب الأسود للمجرة ، ولكن حتى الآن ، لا يمكن لأحد أن يفسر هذه العلاقة المرصودة". ماتيو ، أستاذ الفيزياء المساعد في جامعة كارنيجي ميلون. "لقد أعطانا استخدام عمليات المحاكاة لدينا طريقة جديدة تمامًا لاستكشاف هذه المشكلة".
مفتاح الباحثين؟ كان الاختراق هو دمج حسابات ديناميكيات الثقب الأسود في نموذج حسابي لتكوين المجرة.
عندما تكونت المجرات في الكون المبكر ، من المحتمل أن تحتوي على ثقوب سوداء صغيرة في مراكزها. في السيناريو المعياري لتكوين المجرات ، تنمو المجرات من خلال التقارب مع بعضها البعض بسحب الجاذبية. في هذه العملية ، تندمج الثقوب السوداء في مركزها معًا وتنمو بسرعة للوصول إلى كتلها المرصودة التي تبلغ مليار مرة كتلة الشمس ؛ ومن ثم ، يطلق عليهم ثقوبًا سوداء هائلة. أيضا في وقت الاندماج ، تتشكل غالبية النجوم من الغاز المتاح. يجب أن تكون مجرات اليوم وثقوبها السوداء المركزية نتيجة لسلسلة من هذه الأحداث.
قامت دي ماتيو وزملاؤها بمحاكاة اصطدام مجرتين ناشئتين ووجدوا أنه عندما اجتمعت المجرتان ، اندمجت الثقوبان الأسودان الهائلتان واستهلكتا الغاز المحيط في البداية. لكن هذا النشاط كان محددًا ذاتيًا. كما امتص الثقب الأسود الهائل للمجرة المتبقية الغاز ، كان يعمل على حالة الانارة تسمى الكوازار. قام الكوازار بتنشيط الغاز المحيط إلى هذا المستوى الذي تم نفخه بعيدًا عن المنطقة المجاورة للثقب الأسود الفائق إلى خارج المجرة. بدون غاز قريب ، لا يمكن للثقب الأسود الهائل للمجرة أن "يأكل" لإدامة نفسه وأصبح خامدا. في الوقت نفسه ، لم يعد الغاز متاحًا لتشكيل المزيد من النجوم.
قال سبرينغيل: "اكتشفنا أن الطاقة المنبعثة من الثقوب السوداء خلال مرحلة الكوازار تغذي رياحًا قوية تمنع المواد من السقوط في الثقب الأسود". "تمنع هذه العملية المزيد من نمو الثقب الأسود وتغلق الكوازار ، تمامًا مثل توقف تكوين النجوم داخل المجرة. ونتيجة لذلك ، ترتبط كتلة الثقب الأسود وكتلة النجوم في المجرة ارتباطًا وثيقًا. كما توضح نتائجنا لأول مرة لماذا يعتبر عمر الكوازار مرحلة قصيرة مقارنة بحياة المجرة ".
في عمليات المحاكاة ، وجد Di Matteo و Springel و Hernquist أن الثقوب السوداء في المجرات الصغيرة تحد من نموها بشكل أكثر فعالية من تلك الموجودة في المجرات الأكبر. تحتوي المجرة الصغيرة على كميات أقل من الغاز بحيث يمكن لكمية صغيرة من الطاقة من الثقب الأسود أن تنفخ هذا الغاز بسرعة. في المجرة الكبيرة ، يمكن أن يصل الثقب الأسود إلى حجم أكبر قبل أن يتم تنشيط الغاز المحيط به بما يكفي للتوقف عن السقوط. ومع إنفاق الغاز بسرعة ، فإن المجرات الأصغر تجعل النجوم أقل. مع وجود مجموعة غازية طويلة العمر ، فإن المجرات الأكبر تصنع المزيد من النجوم. تتطابق هذه النتائج مع العلاقة المرصودة بين حجم الثقب الأسود والكتلة الإجمالية للنجوم في المجرات.
قال هرنكويست ، أستاذ ورئيس علم الفلك بكلية الآداب والعلوم في جامعة هارفارد: "تُظهر عمليات المحاكاة التي أجريناها أن التنظيم الذاتي يمكن أن يفسر كمًا للحقائق المرصودة المرتبطة بالثقوب والمجرات السوداء". "إنها تقدم تفسيرا لأصل عمر الكوازار وينبغي أن تسمح لنا بفهم لماذا كانت الكوازارات أكثر وفرة في الكون المبكر مما هي عليه اليوم."
قال دي ماتيو: "بهذه الحسابات ، نرى الآن أن الثقوب السوداء يجب أن يكون لها تأثير هائل على الطريقة التي تتشكل بها المجرات وتتطور". "إن النجاحات التي تم الحصول عليها حتى الآن ستسمح لنا بتنفيذ هذه النماذج ضمن أكوان أكبر محاكاة ، حتى نتمكن من فهم كيف تؤثر مجموعات كبيرة من الثقوب السوداء والمجرات على بعضها البعض في سياق كوني."
أجرى الفريق عمليات محاكاة باستخدام موارد الحوسبة الواسعة لمركز الحوسبة الفيزيائية الفلكية الموازية في مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية وفي Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft في جارشينج.
المصدر الأصلي: بيان صحفي لمعهد ماكس بلانك
