Tại sao chúng ta tin rằng các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của hai thiên hà hợp nhất sẽ tự hợp nhất?

Khi nghe podcast hoặc xem video youtube của các nhà thiên văn thảo luận về việc sáp nhập thiên hà, tôi thường nghe nói về cách các lỗ đen siêu lớn tại trung tâm của họ sẽ tự hợp nhất trong hoặc ngay sau vụ va chạm. Tại sao chúng ta tin rằng đây là trường hợp?

Một tiên nghiệm, tôi mong muốn SMBH hoạt động giống như tất cả các vật thể thiên hà khác. Chúng có thể cực kỳ to lớn, nhưng về mặt vật lý chúng vẫn rất nhỏ so với không gian trống rỗng rộng lớn giữa các ngôi sao trong một thiên hà. Va chạm giữa các vật thể (không tính các đám mây khí và bụi khổng lồ) sẽ cực kỳ hiếm, vậy tại sao chúng ta lại tạo ra ngoại lệ cho SMBH?

Tôi có thể thấy một trường hợp chúng hợp nhất trong trường hợp (hiếm?) Nơi các thiên hà chủ chạm vào nhau theo cách mà trung tâm khối lượng lẫn nhau xảy ra trùng khớp với các trung tâm khối lượng riêng lẻ của chúng. Trong trường hợp đó, SMBH có thể đủ gần để quay quanh nhau, mất năng lượng cho sóng hấp dẫn và cuối cùng là hợp nhất. Tôi sẽ nghĩ rằng kịch bản này là khá hiếm, tuy nhiên. Tôi thấy hợp lý hơn khi một vụ sáp nhập thiên hà trung bình sẽ khiến SMBH độc lập quay quanh trung tâm của thiên hà kết hợp, cách nhau quá xa để mất bất kỳ động năng đáng kể nào đối với sóng hấp dẫn.

Các nhà thiên văn học nói về sự hợp nhất thiên hà biết rất nhiều về tôi về chủ đề này, vì vậy tôi cho rằng có những sai sót trong các giả định của tôi hoặc sự hiểu biết của tôi về vật lý. Tôi đang thiếu gì?

Các SMBH nằm dưới đáy của các tiềm năng thiên hà, vốn bị chi phối bởi các quầng sáng vật chất tối của các thiên hà. Nhưng mặc dù vật chất tối chi phối lực hấp dẫn, các va chạm giữa các hạt khí và bụi trong môi trường liên sao gây ra ma sát đủ khiến thành phần baryonic của các thiên hà bị giảm tốc. Điều này sẽ khiến các thành phần khác của các thiên hà cũng giảm tốc, thông qua lực hấp dẫn.

Hơn nữa, mặc dù vật chất tối (và, trong thực tế, các ngôi sao và lỗ đen vì chúng rất nhỏ) không bị va chạm, có một số cách "thư giãn", tức là tiến hóa đến trạng thái cân bằng. Trong bối cảnh hợp nhất thiên hà, cơ chế quan trọng nhất (tôi nghĩ) là "thư giãn dữ dội", trong đó sự thay đổi nhanh chóng của thế năng hấp dẫn làm cho các hạt thư giãn, ví dụ như các hạt lớn hơn có xu hướng truyền nhiều năng lượng hơn cho các nước láng giềng nhẹ hơn và do đó trở thành ràng buộc chặt chẽ hơn, chìm về phía trung tâm của tiềm năng hấp dẫn.

Mặc dù SMBH là rất tốt, siêu lớn, tiềm năng (thường) sẽ bị chi phối bởi vật chất tối, khí và sao, vì vậy tiềm năng hấp dẫn mới cũng sẽ khiến SMBH tìm kiếm phía dưới cùng một cách, và cuối cùng hợp nhất.

Câu trả lời ngắn gọn là " ma sát động ": các vật thể lớn di chuyển qua một trường có các vật thể nhỏ hơn tạo ra một "thức tỉnh" kéo chúng lại, dẫn đến mất năng lượng. Bởi vì SMBH có khối lượng lớn hơn nhiều so với các ngôi sao, các phân tử và nguyên tử của khí và các hạt vật chất tối (bất kể chúng có thể là gì), chúng đặc biệt dễ bị như vậy. Hiệu ứng ròng là để SMBH mất năng lượng và ổn định vào trung tâm của hệ thống (kết hợp).

Khi chúng tạo thành nhị phân, chúng cũng có thể mất năng lượng thông qua các cuộc chạm trán 3 cơ thể với các ngôi sao gần trung tâm thiên hà (kết hợp): một ngôi sao tương tác với nhị phân SMBH và thu được năng lượng (thường được đẩy ra từ lõi thiên hà), trong khi nhị phân mất năng lượng bằng cách thu nhỏ. Các thiên hà hình elip khổng lồ thường có "lõi" sao mật độ thấp, thường được coi là di tích của một hoặc nhiều vòng sáp nhập nhị phân SMBH. Nếu có nhiều khí trong trung tâm thiên hà, chúng cũng có thể co lại thông qua các tương tác hấp dẫn với khí.