นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าหลุมดำที่กำลังเติบโตกำลังปล่อยพลังงานระเบิดที่ควบคุมการวิวัฒนาการของกาแลคซีและการเติบโตของหลุมดำ แบบจำลองนี้อธิบายปรากฏการณ์ที่สังเกตได้เป็นครั้งแรกและสัญญาว่าจะให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการก่อตัวกาแลคซีและบทบาทของหลุมดำตลอดประวัติศาสตร์จักรวาล ตีพิมพ์ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 10 กุมภาพันธ์ผลลัพธ์ถูกสร้างขึ้นโดยนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Carnegie Mellon University Tiziana Di Matteo และเพื่อนร่วมงานของเธอขณะที่ Max Planck Institut ขน Astrophysik ในเยอรมนี ผู้ทำงานร่วมกันของ Di Matteo รวมถึง Volker Springel ที่สถาบัน Max-Planck for Astrophysics และ Lars Hernquist ที่ Harvard University
“ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์เริ่มซาบซึ้งว่ามวลรวมของดาวในกาแลคซีทุกวันนี้มีขนาดเท่ากับหลุมดำของกาแลคซีโดยตรง แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครสามารถอธิบายความสัมพันธ์ที่สังเกตได้นี้” Matteo ผู้ช่วยศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่ Carnegie Mellon “ การใช้แบบจำลองของเราทำให้เรามีวิธีใหม่ในการสำรวจปัญหานี้”
กุญแจสู่นักวิจัย? ความก้าวหน้าได้รวมการคำนวณการเปลี่ยนแปลงของหลุมดำเข้ากับแบบจำลองการคำนวณของการก่อตัวกาแลคซี
เมื่อกาแลคซีก่อตัวขึ้นในเอกภพยุคแรกพวกมันน่าจะมีหลุมดำขนาดเล็กที่ใจกลาง ในสถานการณ์มาตรฐานของการก่อตัวกาแลคซีกาแลคซีเติบโตโดยการรวมตัวกันด้วยแรงโน้มถ่วง ในกระบวนการนี้หลุมดำที่ใจกลางรวมเข้าด้วยกันและเติบโตขึ้นอย่างรวดเร็วเพื่อเข้าถึงมวลที่สังเกตได้ของดวงอาทิตย์นับพันล้านเท่า ดังนั้นจึงเรียกว่าหลุมดำมวลมหาศาล ในช่วงเวลาของการรวมดาวส่วนใหญ่ก่อตัวจากก๊าซที่มีอยู่ กาแลคซีในปัจจุบันและหลุมดำกลางของพวกเขาจะต้องเป็นผลจากการจัดกิจกรรมดังกล่าว
Di Matteo และเพื่อนร่วมงานของเธอจำลองการชนกันของกาแลคซีตั้งไข่สองแห่งและพบว่าเมื่อกาแลคซีทั้งสองมารวมกันหลุมดำมวลมหาศาลสองก้อนของพวกมันรวมตัวกันและเริ่มใช้ก๊าซรอบข้าง แต่กิจกรรมนี้เป็นการ จำกัด ตัวเอง เมื่อหลุมดำมวลมหาศาลของกาแลคซีที่ยังเหลืออยู่ดูดก๊าซมันทำให้เกิดสภาวะเรืองแสงเรียกว่าควาซาร์ ควาซาร์เพิ่มพลังงานให้กับก๊าซรอบข้างจนถึงระดับที่มันถูกพัดพาออกไปจากบริเวณใกล้เคียงของหลุมดำมวลมหาศาลที่อยู่นอกกาแลคซี หากไม่มีก๊าซอยู่ใกล้หลุมดำมวลมหาศาลของกาแลคซีจะไม่สามารถ "กิน" เพื่อรักษาตัวเองและกลายเป็นอยู่เฉยๆ ในเวลาเดียวกันก๊าซก็ไม่สามารถสร้างดาวได้อีกต่อไป
“ เราค้นพบว่าพลังงานที่ถูกปล่อยออกมาจากหลุมดำในช่วงควาซาร์นั้นจะมีพลังลมแรงที่ป้องกันไม่ให้วัสดุตกลงไปในหลุมดำ” Springel กล่าว “ กระบวนการนี้ยับยั้งการเติบโตของหลุมดำต่อไปและปิดควาซาร์เช่นเดียวกับการก่อตัวดาวฤกษ์หยุดอยู่ภายในกาแลคซี เป็นผลให้มวลของหลุมดำและมวลของดาวในกาแลคซีนั้นเชื่อมโยงกันอย่างใกล้ชิด ผลลัพธ์ของเรายังอธิบายเป็นครั้งแรกว่าทำไมอายุการใช้งานควาซาร์จึงเป็นระยะสั้น ๆ เมื่อเทียบกับชีวิตของกาแลคซี”
ในการจำลองสถานการณ์ของพวกเขา Di Matteo, Springel และ Hernquist พบว่าหลุมดำในกาแลคซีขนาดเล็ก จำกัด การเติบโตของตนเองได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าในกาแลคซีขนาดใหญ่ กาแลคซีขนาดเล็กมีก๊าซจำนวนน้อยเพื่อให้พลังงานจำนวนเล็กน้อยจากหลุมดำสามารถพัดพาก๊าซนี้ออกไปได้อย่างรวดเร็ว ในกาแลคซีขนาดใหญ่หลุมดำสามารถเข้าถึงขนาดที่ใหญ่กว่าก่อนที่จะมีก๊าซรอบพลังงานเพียงพอที่จะหยุดการตกลงมาด้วยการใช้ก๊าซอย่างรวดเร็วกาแลคซีขนาดเล็กทำให้ดาวฤกษ์น้อยลง ด้วยกาแลคซี่ที่มีอายุยืนยาวกว่ากาแลคซีขนาดใหญ่จึงสร้างดาวได้มากขึ้น การค้นพบนี้ตรงกับความสัมพันธ์ที่สังเกตได้ระหว่างขนาดของหลุมดำและมวลรวมของดาวฤกษ์ในกาแลคซี
“ การจำลองของเราแสดงให้เห็นว่าการควบคุมตนเองนั้นสามารถอธิบายปริมาณข้อเท็จจริงที่สังเกตได้เกี่ยวกับหลุมดำและกาแลคซีในเชิงปริมาณ” เฮิร์นควิสต์ศาสตราจารย์และประธานของดาราศาสตร์ในคณะศิลปะและวิทยาศาสตร์ของฮาร์วาร์ดกล่าว “ มันให้คำอธิบายเกี่ยวกับที่มาของอายุควอซาร์และควรอนุญาตให้เราเข้าใจว่าทำไมควาซาร์จึงมีความอุดมสมบูรณ์มากกว่าในยุคแรก ๆ ของเอกภพมากกว่าที่เป็นอยู่ทุกวันนี้”
“ ด้วยการคำนวณเหล่านี้เราเห็นว่าหลุมดำต้องมีผลกระทบอย่างมหาศาลต่อวิธีที่กาแลคซีก่อตัวและวิวัฒนาการ” Di Matteo กล่าว “ ความสำเร็จที่ได้รับจนถึงปัจจุบันจะช่วยให้เราสามารถนำแบบจำลองเหล่านี้ไปใช้ในจักรวาลจำลองที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อให้เราสามารถเข้าใจว่าหลุมดำและกาแลคซีขนาดใหญ่มีอิทธิพลต่อกันและกันอย่างไรในบริบททางดาราศาสตร์”
ทีมใช้การจำลองด้วยทรัพยากรการประมวลผลที่กว้างขวางของคอมพิวเตอร์เพื่อการคำนวณทางดาราศาสตร์แบบขนานที่ศูนย์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ฮาร์วาร์ด - สมิ ธ โซเนียนและที่ Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft ใน Garching
แหล่งต้นฉบับ: Max Planck Institute News Release
