¿Por qué creemos que los agujeros negros súper masivos en los centros de dos galaxias en fusión se fusionarían?

Cuando escucho podcasts o veo videos de YouTube de astrónomos discutiendo fusiones de galaxias, a menudo escucho hablar sobre cómo los agujeros negros súper masivos en sus centros se fusionarán durante o poco después de la colisión. ¿Por qué creemos que esto es así?

A priori, esperaría que los SMBH se comportaran igual que todos los demás objetos galácticos. Pueden ser extraordinariamente masivas, pero físicamente siguen siendo minúsculas en comparación con el vasto espacio vacío entre las estrellas de una galaxia. Las colisiones entre objetos (sin contar las gigantescas nubes de gas y polvo) serían extraordinariamente raras, entonces, ¿por qué hacemos una excepción con los SMBH?

Podría ver un caso para que se fusionen en el (¿raro?) Caso en el que las galaxias anfitrionas chocan entre sí de tal manera que el centro de masa mutuo coincide con sus centros de masa individuales. En ese caso, los SMBH podrían estar lo suficientemente cerca como para orbitar uno alrededor del otro, perdiendo energía debido a las ondas gravitacionales y eventualmente fusionándose. Sin embargo, creo que este escenario es bastante raro. Me parece más plausible que una fusión de galaxias promedio dejaría a los SMBH orbitando independientemente el centro de la galaxia combinada, demasiado separados para perder cualquier energía cinética significativa a las ondas gravitacionales.

Los astrónomos que hablan de fusiones galácticas saben mucho más que yo sobre el tema, así que supongo que hay fallas en mis suposiciones o en mi comprensión de la física. ¿Qué me estoy perdiendo?

Respuestas (2)

Los SMBH residen en la parte inferior de los potenciales galácticos, que están dominados por los halos de materia oscura de las galaxias. Pero aunque la materia oscura domina la gravedad, las colisiones entre partículas de gas y polvo en el medio interestelar provocan suficiente fricción como para que la componente bariónica de las galaxias se desacelere. Esto hará que los otros componentes de las galaxias también se desaceleren, a través de la atracción gravitacional: viajando a través del medio interestelar, la masa (bariónica y no bariónica) atraída por la SMBH tenderá a aumentar en densidad detrás de la SMBH, ralentizándola. , y efecto llamado fricción dinámica .

Además, a pesar de que la materia oscura (y, en la práctica, las estrellas y los agujeros negros, ya que son tan pequeños) no tienen colisiones, hay varias formas de "relajarse", es decir, de evolucionar hacia un equilibrio. En el contexto de la fusión de galaxias, el mecanismo más importante (creo) es la "relajación violenta", donde el cambio rápido del potencial gravitacional hace que las partículas se relajen, por ejemplo, las partículas más masivas tienden a transferir más energía a sus vecinas más ligeras y así se vuelven más fuertemente ligado, hundiéndose hacia el centro del potencial gravitatorio.

Aunque los SMBH son..., bueno, supermasivos, el potencial (por lo general) estará dominado por la materia oscura, el gas y las estrellas, por lo que el nuevo potencial gravitacional también hará que los SMBH busquen hacia el fondo de la misma manera y finalmente se fusionen.

Si entiendo lo que dijiste correctamente, entonces no son solo los SMBH los que se moverían al centro de las galaxias fusionadas: las estrellas, el gas y el polvo en los núcleos de las galaxias progenitoras también tenderían a migrar al nuevo centro como bien. Si es así, entonces la fusión galáctica podría resultar en un frenesí de alimentación para los SMBH, culminando en su propia fusión. ¿Es eso plausible?
Esta es una muy buena pregunta, y en realidad no es tan trivial como podría pensarse. Esto está fuera de mi campo, pero creo que la mayoría de las respuestas sobre este tema provienen de simulaciones numéricas, ya que los casos que se pueden resolver analíticamente están demasiado idealizados. Un sistema no virializado, como dos galaxias que se fusionan, evolucionará a un estado virializado, que no es solo un colapso de todo. Las simulaciones de N-cuerpos muestran que, al principio, el sistema se contrae rápidamente (en una escala de tiempo del orden del tiempo de caída libre) a una configuración compacta,... [continuación]
…después de lo cual tienen lugar una serie de fases de expansión y contracción, donde las partículas intercambian energía. Una fracción significativa de partículas también se proyectan en radios grandes, lo que da como resultado un halo más extenso, pero creo que los SMBH se fusionarán en una fase compacta inicial. Si quieres saber más, puedo recomendarte Galaxy Formation and Evolution, Cha de Mo, Bosch & White. 5 y 12.4 (puede encontrar una versión gratuita en pdf).
Buena respuesta. Además, "relajación violenta" es uno de mis términos astrofísicos favoritos.
@Thriveth: Es mi álbum favorito de Björk.
No , espera...
¿Cuánto sabemos sobre la escala de tiempo esperada para la fusión de las SMBH?
@KeithThompson: creo que es más grande para BH de masa más pequeña. Algo así como <Gyr por mil millones METRO ⊙ BHs, pero unos pocos Gyr por millón METRO ⊙ BH. No estoy exactamente seguro acerca de estos números, pero al menos "escalas de tiempo cosmológicas".

La respuesta corta es " fricción dinámica ": los objetos masivos que se mueven a través de un campo de objetos menos masivos crean una "estela" que los atrae, lo que provoca la pérdida de energía. Debido a que los SMBH son mucho más masivos que las estrellas, las moléculas y los átomos del gas y las partículas de materia oscura (cualesquiera que sean), son especialmente propensos a esto. El efecto neto es que los SMBH pierdan energía y se asienten en el centro del sistema (combinado).

Una vez que forman un binario, también pueden perder energía a través de encuentros de 3 cuerpos con estrellas cerca del centro de la galaxia (combinado): una estrella interactúa con el binario SMBH y gana energía (generalmente expulsada del núcleo de la galaxia), mientras que el binario pierde energía al encogerse. Las galaxias elípticas masivas a menudo tienen "núcleos" estelares de baja densidad, que generalmente se supone que son las reliquias de una o más rondas de fusiones binarias SMBH. Si hay mucho gas en el centro de la galaxia, el binario también puede encogerse a través de interacciones gravitacionales con el gas.

Espectacular explicación, gracias por eso.
¿Por qué creemos que los agujeros negros súper masivos en los centros de dos galaxias en fusión se fusionarían?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v