Astronomer som studerar galaxens evolution har länge kämpat för att förstå vad som gör att stjärnbildningen stängs av i massiva galaxer. Även om många teorier har föreslagits för att förklara denna process, känd som "släckning, "Det finns fortfarande ingen konsensus om en tillfredsställande modell.

Nu, ett internationellt team ledd av Sandra Faber, professor emerita i astronomi och astrofysik vid UC Santa Cruz, har föreslagit en ny modell som framgångsrikt förklarar ett brett spektrum av observationer om galaxstruktur, supermassiva svarta hål, och släckning av stjärnbildning. Forskarna presenterade sina resultat i en artikel publicerad 1 juli i Astrofysisk tidskrift .

Modellen stöder en av de ledande idéerna om släckning som tillskriver det svarta håls "feedback, " energin som frigörs till en galax och dess omgivning från ett centralt supermassivt svart hål när materia faller in i det svarta hålet och matar dess tillväxt. Denna energiska återkoppling värmer, matar ut, eller på annat sätt stör galaxens gastillförsel, förhindrar insläpp av gas från galaxens halo för att mata stjärnbildning.

"Tanken är att i stjärnbildande galaxer, det centrala svarta hålet är som en parasit som till slut växer och dödar värden, " förklarade Faber. "Det har sagts förut, men vi har inte haft tydliga regler för att säga när ett svart hål är tillräckligt stort för att stänga av stjärnbildningen i sin värdgalax, och nu har vi kvantitativa regler som faktiskt fungerar för att förklara våra observationer."

Grundidén handlar om förhållandet mellan stjärnornas massa i en galax (stjärnmassan), hur utspridda dessa stjärnor är (galaxens radie), och massan av det centrala svarta hålet. För stjärnbildande galaxer med en given stjärnmassa, tätheten av stjärnor i mitten av galaxen korrelerar med galaxens radie så att galaxer med större radier har lägre centrala stjärndensiteter. Om vi ​​antar att massan av det centrala svarta hålet skalar med den centrala stjärndensiteten, Stjärnbildande galaxer med större radier (vid en given stjärnmassa) kommer att ha lägre svarthålsmassor.

Vad det betyder, Faber förklarade, är att större galaxer (de med större radier för en given stjärnmassa) måste utvecklas ytterligare och bygga upp en högre stjärnmassa innan deras centrala svarta hål kan växa sig stora nog att släcka stjärnbildningen. Således, Galaxer med liten radie släcker vid lägre massor än galaxer med stor radie.

"Det är den nya insikten, att om galaxer med stora radier har mindre svarta hål vid en given stjärnmassa, och om återkoppling av svarta hål är viktig för att släcka, då måste galaxer med stor radie utvecklas ytterligare, " sa hon. "Om du sätter ihop alla dessa antaganden, otroligt, du kan reproducera ett stort antal observerade trender i galaxernas strukturella egenskaper."

Detta förklarar, till exempel, varför mer massiva släckta galaxer har högre centrala stjärndensiteter, större radier, och större centrala svarta hål.

Baserat på denna modell, forskarna drog slutsatsen att släckning börjar när den totala energin som emitteras från det svarta hålet är ungefär fyra gånger den gravitationella bindningsenergin för gasen i den galaktiska halon. Bindningsenergin hänvisar till gravitationskraften som håller gasen i halo av mörk materia som omsluter galaxen. Släckningen är fullbordad när den totala energin som emitteras från det svarta hålet är tjugo gånger bindningsenergin för gasen i den galaktiska halon.

Faber betonade att modellen ännu inte förklarar i detalj de fysiska mekanismerna som är involverade i släckningen av stjärnbildning. "De fysiska nyckelprocesserna som denna enkla teori framkallar är ännu inte förstått, " sa hon. "Dygden med detta, fastän, är att att ha enkla regler för varje steg i processen utmanar teoretiker att komma på fysiska mekanismer som förklarar varje steg."

Astronomer är vana vid att tänka i termer av diagram som plottar relationerna mellan olika egenskaper hos galaxer och visar hur de förändras över tiden. Dessa diagram avslöjar de dramatiska skillnaderna i struktur mellan stjärnbildande och släckta galaxer och de skarpa gränserna mellan dem. Eftersom stjärnbildningen avger mycket ljus i den blå änden av färgspektrat, astronomer hänvisar till "blå" stjärnbildande galaxer, "röda" vilande galaxer, och den "gröna dalen" som övergången mellan dem. Vilket stadium en galax befinner sig i avslöjas av dess stjärnbildningshastighet.

En av studiens slutsatser är att tillväxthastigheten för svarta hål måste förändras när galaxer utvecklas från ett stadium till nästa. Observationsbevisen tyder på att det mesta av tillväxten av svarta hål sker i den gröna dalen när galaxer börjar släcka.

"Det svarta hålet verkar släppas lös precis när stjärnbildningen saktar ner, " sa Faber. "Detta var en uppenbarelse, eftersom det förklarar varför svarta håls massor i stjärnbildande galaxer följer en skalningslag, medan svarta hål i släckta galaxer följer en annan skalningslag. Det är vettigt om svarthålsmassan växer snabbt i den gröna dalen."

Faber och hennes medarbetare har diskuterat dessa frågor i många år. Sedan 2010, Faber har varit med och lett ett stort Hubble Space Telescope-galaxundersökningsprogram (CANDELS, Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey), som producerade de data som användes i denna studie. Vid analys av CANDELS-data, hon har arbetat nära med ett team ledd av Joel Primack, UCSC professor emeritus i fysik, som utvecklade den kosmologiska bolsjojsimuleringen av evolutionen av den mörka materiens halos i vilka galaxer bildas. Dessa glorier utgör byggnadsställningarna på vilken teorin bygger den tidiga stjärnbildande fasen av galaxutvecklingen innan den släcks.

De centrala idéerna i uppsatsen kom från analyser av CANDELS-data och slog Faber först för ungefär fyra år sedan. "Det hoppade plötsligt ut på mig, och jag insåg om vi sätter ihop alla dessa saker - om galaxer hade en enkel bana i radie kontra massa, och om svarta håls energi behöver övervinna halobindande energi – kan det förklara alla dessa lutande gränser i strukturdiagrammen för galaxer, " Hon sa.

Just då, Faber gjorde ofta resor till Kina, där hon varit involverad i forskningssamarbeten och andra aktiviteter. Hon var gästprofessor vid Shanghai Normal University, där hon träffade första författaren Zhu Chen. Chen kom till UC Santa Cruz 2017 som gästforskare och började arbeta med Faber för att utveckla dessa idéer om galaxsläckning.

"Hon är matematiskt väldigt bra, Bättre än mig, och hon gjorde alla beräkningar för denna tidning, sa Faber.

Faber krediterade också sin långvariga medarbetare David Koo, UCSC professor emeritus i astronomi och astrofysik, för att först fokusera uppmärksamheten på galaxernas centrala tätheter som en nyckel till tillväxten av centrala svarta hål.

Bland pussel som förklaras av denna nya modell är en slående skillnad mellan vår Vintergatans galax och dess mycket liknande granne Andromeda. "Vintergatan och Andromeda har nästan samma stjärnmassa, men Andromedas svarta hål är nästan 50 gånger större än Vintergatans, ", sa Faber. "Tanken att svarta hål växer mycket i den gröna dalen går långt för att förklara detta mysterium. Vintergatan är precis på väg in i den gröna dalen och dess svarta hål är fortfarande litet, medan Andromeda just lämnar så dess svarta hål har vuxit sig mycket större, och den är också mer släckt än Vintergatan."