Utilizzando un nuovo modello al computer di formazione di galassie, i ricercatori hanno dimostrato che i buchi neri in crescita rilasciano un'esplosione di energia che regola fondamentalmente l'evoluzione della galassia e la stessa crescita del buco nero. Il modello spiega per la prima volta i fenomeni osservati e promette di fornire approfondimenti sulla nostra comprensione della formazione della galassia e sul ruolo dei buchi neri nella storia cosmica, secondo i suoi creatori. Pubblicati nel numero del 10 febbraio di Nature, i risultati sono stati generati dall'astrofisica della Carnegie Mellon University Tiziana Di Matteo e dai suoi colleghi mentre si trovavano al Max Planck Institut fur Astrophysik in Germania. Tra i collaboratori di Di Matteo ci sono Volker Springel al Max-Planck Institut for Astrophysics e Lars Hernquist alla Harvard University.
"Negli ultimi anni, gli scienziati hanno iniziato ad apprezzare che la massa totale di stelle nelle galassie di oggi corrisponde direttamente alla dimensione del buco nero di una galassia, ma fino ad ora nessuno poteva spiegare questa relazione osservata", ha detto Di Matteo, assistente professore di fisica presso Carnegie Mellon. "L'uso delle nostre simulazioni ci ha fornito un modo completamente nuovo di esplorare questo problema."
La chiave per i ricercatori? la svolta consisteva nell'incorporare i calcoli per la dinamica del buco nero in un modello computazionale della formazione della galassia.
Quando le galassie si formarono nell'universo primordiale, probabilmente contenevano piccoli buchi neri ai loro centri. Nello scenario standard della formazione di galassie, le galassie crescono unendosi l'una all'altra per l'attrazione della gravità. Nel processo, i buchi neri al loro centro si uniscono e crescono rapidamente per raggiungere le loro masse osservate di un miliardo di volte quella del Sole; quindi, sono chiamati buchi neri supermassicci. Anche al momento della fusione, la maggior parte delle stelle si forma dal gas disponibile. Le galassie di oggi e i loro buchi neri centrali devono essere il risultato di una serie di tali eventi.
Di Matteo e i suoi colleghi hanno simulato la collisione di due galassie nascenti e hanno scoperto che quando le due galassie si sono unite, i loro due buchi neri supermassicci si sono fusi e inizialmente hanno consumato il gas circostante. Ma questa attività era auto-limitante. Mentre il buco nero supermassiccio della galassia rimanente aspirava gas, alimentava uno stato luminescente chiamato quasar. Il quasar eccitò il gas circostante a un livello tale da essere spazzato via dalla vicinanza del buco nero supermassiccio all'esterno della galassia. Senza gas nelle vicinanze, il buco nero supermassiccio della galassia non poteva "mangiare" per sostenersi e si era addormentato. Allo stesso tempo, il gas non era più disponibile per formare altre stelle.
"Abbiamo scoperto che l'energia liberata dai buchi neri durante una fase di quasar alimenta un forte vento che impedisce al materiale di cadere nel buco nero", ha detto Springel. “Questo processo inibisce l'ulteriore crescita del buco nero e spegne il quasar, proprio mentre la formazione stellare si ferma all'interno di una galassia. Di conseguenza, la massa del buco nero e la massa delle stelle in una galassia sono strettamente collegate. I nostri risultati spiegano anche per la prima volta perché la durata del quasar è una fase così breve rispetto alla vita di una galassia. "
Nelle loro simulazioni, Di Matteo, Springel ed Hernquist hanno scoperto che i buchi neri nelle piccole galassie auto-limitano la loro crescita in modo più efficace rispetto a quelli nelle galassie più grandi. Una galassia più piccola contiene quantità minori di gas in modo che una piccola quantità di energia proveniente dal buco nero possa soffiare via rapidamente questo gas. In una grande galassia, il buco nero può raggiungere una dimensione maggiore prima che il suo gas circostante sia sufficientemente energizzato da smettere di cadere. Con il gas esaurito rapidamente, le galassie più piccole producono meno stelle. Con una pozza di gas di lunga durata, le galassie più grandi formano più stelle. Questi risultati corrispondono alla relazione osservata tra la dimensione del buco nero e la massa totale delle stelle nelle galassie.
"Le nostre simulazioni dimostrano che l'autoregolazione può spiegare quantitativamente i fatti osservati associati a buchi neri e galassie", ha affermato Hernquist, professore e cattedra di astronomia presso la Facoltà di Lettere e Scienze di Harvard. "Fornisce una spiegazione per l'origine della vita dei quasar e dovrebbe consentirci di capire perché i quasar erano più abbondanti nell'universo primordiale di quanto lo siano oggi."
"Con questi calcoli, ora vediamo che i buchi neri devono avere un impatto enorme sul modo in cui le galassie si formano e si evolvono", ha detto Di Matteo. "I successi ottenuti finora ci permetteranno di implementare questi modelli all'interno di universi simulati più grandi, in modo che possiamo capire come grandi popolazioni di buchi neri e galassie si influenzino a vicenda in un contesto cosmologico."
Il team ha eseguito le loro simulazioni con le ampie risorse informatiche del Center for Parallel Astrophysical Computing presso il Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian e presso il Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft di Garching.
Fonte originale: comunicato stampa del Max Planck Institute
