Astronomen die de evolutie van sterrenstelsels bestuderen, hebben lang geworsteld om te begrijpen wat de oorzaak is van het stilvallen van stervorming in massieve sterrenstelsels. Hoewel er veel theorieën zijn voorgesteld om dit proces te verklaren, bekend als "afschrikken, "Er is nog steeds geen consensus over een bevredigend model.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team onder leiding van Sandra Faber, emeritus hoogleraar astronomie en astrofysica aan de UC Santa Cruz, heeft een nieuw model voorgesteld dat met succes een breed scala aan waarnemingen over de structuur van sterrenstelsels verklaart, superzware zwarte gaten, en het uitdoven van stervorming. De onderzoekers presenteerden hun bevindingen in een paper gepubliceerd op 1 juli in de Astrofysisch tijdschrift .

Het model ondersteunt een van de leidende ideeën over uitdoving, die het toeschrijft aan feedback van zwarte gaten, " de energie die vrijkomt in een melkwegstelsel en zijn omgeving vanuit een centraal superzwaar zwart gat wanneer materie in het zwarte gat valt en zijn groei voedt. Deze energetische feedback verwarmt, werpt uit, of anderszins de gasvoorziening van de melkweg verstoort, voorkomen van de instroom van gas uit de halo van de melkweg om stervorming te voeden.

"Het idee is dat in stervormende sterrenstelsels, het centrale zwarte gat is als een parasiet die uiteindelijk groeit en de gastheer doodt, ' legde Faber uit. 'Dat is al eerder gezegd, maar we hebben geen duidelijke regels om te zeggen wanneer een zwart gat groot genoeg is om stervorming in zijn gastmelkweg stil te leggen, en nu hebben we kwantitatieve regels die echt werken om onze waarnemingen te verklaren."

Het basisidee betreft de relatie tussen de massa van de sterren in een sterrenstelsel (stellaire massa), hoe verspreid die sterren zijn (de straal van de melkweg), en de massa van het centrale zwarte gat. Voor stervormende sterrenstelsels met een gegeven stellaire massa, de dichtheid van sterren in het centrum van de melkweg correleert met de straal van de melkweg, zodat sterrenstelsels met grotere stralen lagere centrale stellaire dichtheden hebben. Ervan uitgaande dat de massa van het centrale zwarte gat schaalt met de centrale stellaire dichtheid, stervormende sterrenstelsels met grotere stralen (bij een gegeven stellaire massa) zullen een lagere zwart-gatmassa hebben.

Wat dat betekent, Faber legde uit, is dat grotere sterrenstelsels (die met grotere stralen voor een bepaalde stellaire massa) verder moeten evolueren en een hogere stellaire massa moeten opbouwen voordat hun centrale zwarte gaten groot genoeg kunnen worden om stervorming te doven. Dus, sterrenstelsels met een kleine straal doven bij lagere massa's dan sterrenstelsels met een grote straal.

"Dat is het nieuwe inzicht, dat als sterrenstelsels met grote stralen kleinere zwarte gaten hebben bij een gegeven stellaire massa, en als feedback van een zwart gat belangrijk is voor blussen, dan moeten sterrenstelsels met een grote straal verder evolueren, ' zei ze. 'Als je al deze veronderstellingen bij elkaar optelt, wonderbaarlijk, je kunt een groot aantal waargenomen trends in de structurele eigenschappen van sterrenstelsels reproduceren."

Dit verklaart, bijvoorbeeld, waarom massievere uitgedoofde sterrenstelsels hogere centrale stellaire dichtheden hebben, grotere stralen, en grotere centrale zwarte gaten.

Op basis van dit model, de onderzoekers concludeerden dat het blussen begint wanneer de totale energie die door het zwarte gat wordt uitgestraald, ongeveer vier keer de zwaartekrachtsbindingsenergie van het gas in de galactische halo is. De bindingsenergie verwijst naar de zwaartekracht die het gas vasthoudt in de halo van donkere materie die de melkweg omhult. Het doven is voltooid wanneer de totale energie die door het zwarte gat wordt uitgestraald twintig keer de bindingsenergie van het gas in de galactische halo is.

Faber benadrukte dat het model nog niet in detail de fysieke mechanismen verklaart die betrokken zijn bij het uitdoven van stervorming. "De belangrijkste fysieke processen die deze eenvoudige theorie oproept, zijn nog niet begrepen, "zei ze. "De deugd hiervan, Hoewel, is dat het hebben van eenvoudige regels voor elke stap in het proces theoretici uitdaagt om met fysieke mechanismen te komen die elke stap verklaren."

Astronomen zijn gewend te denken in termen van diagrammen die de relaties tussen verschillende eigenschappen van sterrenstelsels in kaart brengen en laten zien hoe ze in de loop van de tijd veranderen. Deze diagrammen onthullen de dramatische verschillen in structuur tussen stervormende en uitgedoofde sterrenstelsels en de scherpe grenzen daartussen. Omdat stervorming veel licht uitstraalt aan de blauwe kant van het kleurenspectrum, astronomen verwijzen naar "blauwe" stervormende sterrenstelsels, "rode" stille sterrenstelsels, en de "groene vallei" als de overgang daartussen. In welk stadium een ​​sterrenstelsel zich bevindt, wordt onthuld door zijn stervormingssnelheid.

Een van de conclusies van het onderzoek is dat de groeisnelheid van zwarte gaten moet veranderen naarmate sterrenstelsels van het ene stadium naar het volgende evolueren. Het observationele bewijs suggereert dat het grootste deel van de groei van het zwarte gat plaatsvindt in de groene vallei wanneer sterrenstelsels beginnen te blussen.

"Het zwarte gat lijkt los te komen op het moment dat de stervorming vertraagt, Faber zei. "Dit was een openbaring, omdat het verklaart waarom massa's van zwarte gaten in stervormende sterrenstelsels één schaalwet volgen, terwijl zwarte gaten in uitgedoofde sterrenstelsels een andere schaalwet volgen. Dat is logisch als de massa van het zwarte gat snel groeit in de groene vallei."

Faber en haar medewerkers discussiëren al jaren over deze kwesties. Sinds 2010, Faber was mede-leider van een grootschalig onderzoeksprogramma van de Hubble Space Telescope (CANDELS, de Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey), waaruit de gegevens zijn voortgekomen die in dit onderzoek zijn gebruikt. Bij het analyseren van de CANDELS-gegevens, ze heeft nauw samengewerkt met een team onder leiding van Joel Primack, UCSC emeritus hoogleraar natuurkunde, die de Bolshoi-kosmologische simulatie ontwikkelde van de evolutie van de halo's van donkere materie waarin sterrenstelsels worden gevormd. Deze halo's vormen de basis waarop de theorie de vroege stervormingsfase van de melkwegevolutie bouwt voordat ze uitdooft.

De centrale ideeën in het artikel kwamen voort uit analyses van CANDELS-gegevens en vielen Faber ongeveer vier jaar geleden voor het eerst op. "Het schoot me ineens te binnen, en ik realiseerde me dat als we al deze dingen samenvoegden - als sterrenstelsels een eenvoudig traject hadden in straal versus massa, en als de energie van een zwart gat de bindingsenergie van halo's moet overwinnen, kan het al deze schuine grenzen in de structurele diagrammen van sterrenstelsels verklaren, " ze zei.

Destijds, Faber maakte regelmatig reizen naar China, waar ze betrokken is geweest bij onderzoekssamenwerkingen en andere activiteiten. Ze was gasthoogleraar aan de Shanghai Normal University, waar ze eerste auteur Zhu Chen ontmoette. Chen kwam in 2017 naar UC Santa Cruz als gastonderzoeker en begon met Faber samen te werken om deze ideeën over het uitdoven van sterrenstelsels te ontwikkelen.

"Ze is wiskundig erg goed, beter dan mij, en ze deed alle berekeningen voor dit papier, ' zei Faber.

Faber heeft ook haar oude medewerker David Koo gecrediteerd, UCSC emeritus hoogleraar astronomie en astrofysica, om eerst de aandacht te vestigen op de centrale dichtheden van sterrenstelsels als een sleutel tot de groei van centrale zwarte gaten.

Een van de puzzels die door dit nieuwe model worden verklaard, is een opvallend verschil tussen ons Melkwegstelsel en zijn zeer vergelijkbare buur Andromeda. "De Melkweg en Andromeda hebben bijna dezelfde stellaire massa, maar het zwarte gat van Andromeda is bijna 50 keer groter dan dat van de Melkweg, Faber zei. "Het idee dat zwarte gaten veel groeien in de groene vallei, verklaart dit mysterie in grote mate. De Melkweg komt net de groene vallei binnen en het zwarte gat is nog klein, terwijl Andromeda net naar buiten komt, dus zijn zwarte gat is veel groter geworden, en het is ook meer uitgeblust dan de Melkweg."