Galaktiska kärnor vimlar av svarta hål. Tidigare i år, 12 röntgenbinarier upptäcktes vid Vintergatans centrum vilket antydde att tusentals svarta hål kan gömma sig i den regionen. En färsk studie visar att dessa svarta hål förväntas kretsa i en skiva runt det centrala supermassiva svarta hålet.

Observationer visar att centrum för de flesta galaxer har ett supermassivt svart hål. Den enorma tyngdkraften hos dessa föremål verkar för att samla en tät befolkning på miljontals stjärnor och flera tusentals svarta hål med stjärnmassa inom några ljusår. Astrofysiker simulerade interaktionen mellan stjärnbanor i dessa regioner och fann att de svarta hålen sätter sig i tidigare oväntade strukturer. Resultaten visar att de mer massiva föremålen i stjärnpopulationen bildar en tjock skivstruktur runt det supermassiva svarta hålet i galaktiska kärnor.

"Tidigare trodde man att banorna för både ljusa och massiva stjärnobjekt är isotropiskt fördelade runt det supermassiva svarta hålet. Vi förstår nu att massiva stjärnor och svarta hål vanligtvis segregerar i en skiva, "sade Ákos Szölgyén från Eötvös universitet, Ungern, som ledde studien som har publicerats i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Szölgyén och hans doktorand rådgivare Bence Kocsis vid Eötvös universitet, Ungern, införlivade en viktig ytterligare effekt i sin simulering, nämligen vektorresonant avslappning. Denna effekt representerar en liten del av gravitationsmomentet bland de kretsande föremålen som ackumuleras under miljoner år och blir dominerande över långa tidsskalor. Som en konsekvens vänds orbitalplanen för föremål runt det supermassiva svarta hålet långsamt.

"Till skillnad från en svärm av bin runt en bikupa, stjärnor flyger runt i det galaktiska centrumet på ett mer ordnat sätt:längs föregående elliptiska banor, var och en begränsad till ett plan, respektive. Interaktionerna mellan sådana plana banor omformar långsamt deras orienteringar under miljoner år, "förklarade Bence Kocsis.

Forskare simulerade interaktionen mellan stjärnbanor i kärnstjärnkluster genom kosmisk historia sedan de bildades.

"Enligt vår nuvarande kunskap, kärnstjärnkluster kan bildas på två olika sätt. Det första tyder på att gas flög in i galaxens centrum och bildade stjärnor på plats runt det supermassiva svarta hålet. Den andra modellen antar att forntida globulära kluster spiralerade in i det galaktiska centrum där tidvattenkrafterna i det supermassiva svarta hålet slet sönder dem och befolkade den centrala regionen med sitt stjärninnehåll. Det är troligt att båda processerna var lika viktiga vid bildandet av kärnstjärnklyngan, "sa Ákos Szölgyén.

I båda modellerna, de första stjärnbanorna bildade skivor runt det centrala supermassiva svarta hålet. Orienteringen av dessa skivor bestäms av riktningen från vilken gasen eller de fallande klotformiga klustren närmade sig mitten. Med tiden interagerar dessa stjärnskivor gravitationellt och det tidigare antagandet var att de i slutändan upplöses. Men de mer massiva stjärnorna, som slutligen blir till svarta hål, sjunker till lägre lutningsbanor i skivan ungefär som hur de mer massiva partiklarna sjunker till botten av en behållare. Fysikerna upptäckte detta fenomen i simuleringarna och fann att hårddiskarna för massiva föremål kan vara långlivade.

"Medan stjärnsystemet utvecklas för att fylla det tillgängliga rymdområdet som en gas i en behållare, några av dess beståndsdelar, dvs de massiva föremålen, kan inte nå den mest störda sfäriska fördelningen. Gravitationsinteraktionen mellan dem får dessa objekt att bosätta sig i ett tillstånd av lägre entropi, "förklarade Bence Kocsis." Detta liknar mycket processen med spontan symmetribrytning som är känd inom partikelfysik och i kondenserad fysik. "

De undersökte också vad som händer med de ljusa och mellanliggande stjärnaobjekten i denna region. Medan banorna för mellanliggande massobjekt, som stjärnor av B-typ, visade en liten mängd anisotropi, beräkningarna visade att de ljusa föremålen, till exempel gamla huvudsekvensstjärnor som solen, neutronstjärnor, och vita dvärgar beter sig fundamentalt annorlunda. De ljusa stjärnobjekten nådde en sfärisk fördelning i den galaktiska kärnan i simuleringen. Dessa resultat överensstämmer med observationerna av Vintergatans centrum i närheten av det centrala supermassiva svarta hålet med en sfärisk befolkning av gamla lågmassestjärnor, en anisotropisk fördelning av B-stjärnor, och en skev disk av unga massiva stjärnor.

Även om det bara finns ett dussin kända svarta hålskandidater i Galactic Center, forskarna drar slutsatsen att de svarta hålen, som vanligtvis är mer massiva än stjärnor gömmer sig inom massan av stjärnors skiva.

Upptäckten kan ha viktiga konsekvenser för förståelsen av galaktiska kärnors stjärndynamik, galaxutveckling, och ursprunget till gravitationella vågor.

"Om tusentals svarta hål finns i en skiva runt det centrala supermassiva svarta hålet, de kan kollektivt förvränga och punktera de omgivande gasmolnen i aktiva galaktiska kärnor från vilka mycket energiska utflöden observeras. Dessa utflöden kan i grunden påverka värdgalaxens storskaliga struktur även tusentals ljusår bort, "sade Bence Kocsis." Men den mest spännande frågan är om den förutspådda distributionen av svarta hålskivor kan förklara den höga hastigheten av fusioner som ses i gravitationella vågor av LIGO och Jungfrun. "