I mitten av galaxen, miljontals stjärnor virvlar i banor runt ett supermassivt svart hål. Denna krets kan ta allt från några timmar för stjärnor nära händelsehorisonten i det svarta hålet till tusentals år för sina avlägsna grannar. Dansens karaktär - hur stjärnorna interagerar kollektivt genom sina gravitationskrafter - kan variera från galax till galax.

I tidningen, "Order-Disorder Phase Transition in Black-Hole Star Clusters, "publicerad i Fysiska granskningsbrev den 12 juli, 2019, forskare från Institute for Advanced Study, Amerikanska universitetet i Beirut, och Leiden University har tagit de första stegen mot att förstå de kollektiva banmönster som dyker upp i stjärnkluster som omger ett supermassivt svart hål. Genom att studera dessa stjärnkluster och hur de utvecklas, forskare får nya insikter om beteendet hos supermassiva svarta hål och deras inflytande över deras stjärnmiljö.

Baserat på en serie numeriska modeller och simuleringar, laget har visat att stjärnhopen med svarta hål kan genomgå en fasövergång från ett sfäriskt tillstånd till ett snett tillstånd när de kyls under en kritisk dynamisk temperatur. Denna fasövergång, i vissa bemärkelser, liknar fasövergången som uppstår när en vätska övergår till ett fast ämne. Precis som molekyler kan skifta från ett stört flytande tillstånd till ett tillstånd där de fryses på plats, dessa stjärnhopar kan uppnå jämvikt i antingen en störd (sfärisk) eller en ordnad (snedställd) struktur, beroende på deras egenskaper och miljö.

"Dessa system uppvisar förvånansvärt rikt beteende, med anmärkningsvärda paralleller till välstuderade laboratoriefenomen som frysning och ferromagnetism, "sade Scott Tremaine, Richard Black professor vid Institute for Advanced Study, en av tidningens tre författare. "Dessa nya fenomen kan dramatiskt förändra vår förståelse av miljön i supermassiva svarta hål och förbättra vår förmåga att förstå hastigheterna och egenskaperna för supermassiva svarta hålfusioner, förbrukning av stjärnor genom svarta hål, och andra fenomen i galaxernas centrum. "

Ett snett kärnstjärnkluster som omger ett supermassivt svart hål syns på Hubble -rymdteleskopets bilder av den närliggande Andromeda -galaxen. Å andra sidan, vårt hem Vintergatans galax och M87 - nyligen avbildad av Event Horizon Telescope - har sfäriska kluster. För mer avlägsna galaxer, kärnstjärnhopen är för små för att kunna avbildas av befintliga teleskop, men klusterformarna kan starkt påverka övergående händelser som vi kan observera, såsom uppblossningar från tidigt störda stjärnor och gravitationella vågsignaler från stjärnor som spirar in i det svarta hålet.

"Det nuvarande arbetet är, på mer än ett sätt, kulmen på vårt forskningsprogram om de termiska egenskaperna hos stjärnhopen i svarta hål. Den lägger grunden för att studera deras kollektiva svar på evolutionära och miljömässiga störningar, "sade Jihad Touma, en annan av tidningens författare. "Vi tror att de modellsystem som vi har identifierat och analyserat är realistiska och mångsidiga nog för att spela för tyngdkraften den roll som Ising -modellen spelade och fortsätter att spela för magnetism."

Ytterligare undersökning av hur kärnstjärnkluster bildas och utvecklas kommer att behövas för att avgöra hur ofta fasövergångar av detta slag sker i naturen. Dock, närvaron av ett snett kluster i Andromeda, vår galax närmaste stora granngalax, antyder att detta är en vanlig process i universum.

Forskargruppen består av Jihad Touma från American University of Beirut och en tidigare IAS -medlem och besökare (2007–09; 2013–14; 2017) vid Naturhögskolan; Scott Tremaine från Institute for Advanced Study; och Mher Kazandjian från Leiden University.

En länk till artikeln som beskriver teamets metoder finns här. Teamet erkänner användningen av IAS -datoranläggningar för att utföra beräkningar som är viktiga för deras arbete.