Dengan menggunakan model komputer baru pembentukan galaksi, para penyelidik telah menunjukkan bahawa lubang hitam yang tumbuh membebaskan tenaga yang secara asasnya mengatur evolusi galaksi dan pertumbuhan lubang hitam itu sendiri. Model ini menerangkan untuk pertama kalinya fenomena yang diperhatikan dan berjanji untuk memberikan pandangan yang lebih mendalam mengenai pemahaman kita mengenai pembentukan galaksi dan peranan lubang hitam sepanjang sejarah kosmik, menurut penciptanya. Diterbitkan dalam terbitan Nature pada 10 Februari, hasilnya dihasilkan oleh ahli astrofizik Universiti Carnegie Mellon, Tiziana Di Matteo dan rakan-rakannya ketika berada di Max Planck Institut bulu Astrophysik di Jerman. Kolaborator Di Matteo termasuk Volker Springel di Max-Planck Institut untuk Astrofizik dan Lars Hernquist di Universiti Harvard.
"Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, para saintis mulai menghargai bahawa jumlah massa bintang pada galaksi hari ini sesuai langsung dengan ukuran lubang hitam galaksi, tetapi sampai sekarang, tidak ada yang dapat menjelaskan hubungan yang diperhatikan ini," kata Di Matteo, penolong profesor fizik di Carnegie Mellon. "Menggunakan simulasi kami telah memberi kami cara yang sama sekali baru untuk meneroka masalah ini."
Kunci untuk penyelidik? terobosan adalah memasukkan pengiraan untuk dinamika lubang hitam ke dalam model komputasi pembentukan galaksi.
Ketika galaksi terbentuk di alam semesta awal, mereka mungkin mengandungi lubang hitam kecil di pusatnya. Dalam senario standard pembentukan galaksi, galaksi tumbuh dengan menyatukan satu sama lain dengan tarikan graviti. Dalam proses itu, lubang hitam di pusatnya bergabung dan cepat tumbuh untuk mencapai jisim yang diperhatikan sebanyak satu bilion kali daripada Matahari; oleh itu, mereka dipanggil lubang hitam supermasif. Juga pada masa penggabungan, sebahagian besar bintang terbentuk dari gas yang ada. Galaksi hari ini dan lubang hitam pusatnya mestilah hasil daripada siri peristiwa tersebut.
Di Matteo dan rakan-rakannya mensimulasikan perlanggaran dua galaksi yang baru lahir dan mendapati bahawa ketika kedua galaksi itu bersatu, kedua lubang hitam supermasif mereka bergabung dan pada mulanya menghabiskan gas di sekitarnya. Tetapi aktiviti ini mengehadkan diri. Sebagai lubang hitam supermasif galaksi yang tersisa menghisap gas, ia menggerakkan keadaan cahaya yang disebut quasar. Quasar memberi tenaga gas di sekitarnya ke tingkat sehingga dihembus dari sekitar lubang hitam supermasif ke luar galaksi. Tanpa gas berdekatan, lubang hitam supermasif galaksi tidak dapat "makan" untuk mempertahankan dirinya dan menjadi tidak aktif. Pada masa yang sama, gas tidak lagi tersedia untuk membentuk bintang lagi.
"Kami telah menemui bahawa tenaga yang dikeluarkan oleh lubang hitam semasa fasa quasar memberi angin kencang yang menghalang bahan dari jatuh ke dalam lubang hitam," kata Springel. "Proses ini menghambat pertumbuhan lubang hitam dan mematikan quasar, sama seperti pembentukan bintang berhenti di dalam galaksi. Akibatnya, jisim lubang hitam dan jisim bintang di galaksi berkait rapat. Hasil kajian kami juga menjelaskan untuk pertama kalinya mengapa jangka hayat quasar adalah fasa yang pendek dibandingkan dengan kehidupan galaksi. "
Dalam simulasi mereka, Di Matteo, Springel dan Hernquist mendapati bahawa lubang hitam pada galaksi kecil mengehadkan pertumbuhannya dengan lebih berkesan daripada pada galaksi yang lebih besar. Galaksi yang lebih kecil mengandungi sejumlah kecil gas sehingga sejumlah kecil tenaga dari lubang hitam dapat dengan cepat meletupkan gas ini. Di galaksi besar, lubang hitam dapat mencapai ukuran yang lebih besar sebelum gas di sekitarnya cukup bertenaga untuk berhenti jatuh. Dengan gas mereka cepat habis, galaksi yang lebih kecil membuat bintang lebih sedikit. Dengan kolam gas yang tahan lama, galaksi yang lebih besar menghasilkan lebih banyak bintang. Penemuan ini sepadan dengan hubungan yang diperhatikan antara ukuran lubang hitam dan jumlah jisim bintang di galaksi.
"Simulasi kami menunjukkan bahawa peraturan kendiri secara kuantitatif dapat menjelaskan fakta yang diperhatikan yang berkaitan dengan lubang hitam dan galaksi," kata Hernquist, profesor dan ketua astronomi di Fakulti Seni dan Sains Harvard. "Ini memberikan penjelasan mengenai asal usul masa quasar dan harus memungkinkan kita memahami mengapa quasar lebih banyak terdapat di alam semesta awal daripada yang ada sekarang."
"Dengan pengiraan ini, kita sekarang melihat bahawa lubang hitam mesti memberi kesan yang sangat besar pada cara galaksi terbentuk dan berkembang," kata Di Matteo. "Kejayaan yang diperoleh sejauh ini akan memungkinkan kita untuk menerapkan model-model ini dalam alam semesta simulasi yang lebih besar, sehingga kita dapat memahami bagaimana populasi besar lubang hitam dan galaksi saling mempengaruhi dalam konteks kosmologi."
Pasukan ini menjalankan simulasi mereka dengan sumber pengkomputeran yang luas dari Center for Parallel Astrophysical Computing di Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics dan di Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft di Garching.
Sumber Asal: Siaran Berita Institut Max Planck
