Sử dụng một mô hình máy tính mới về sự hình thành thiên hà, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng các lỗ đen đang phát triển sẽ giải phóng một luồng năng lượng điều chỉnh cơ bản sự tiến hóa của thiên hà và sự phát triển của lỗ đen. Mô hình này giải thích lần đầu tiên quan sát các hiện tượng và hứa hẹn sẽ cung cấp những hiểu biết sâu sắc hơn về sự hiểu biết của chúng ta về sự hình thành thiên hà và vai trò của các lỗ đen trong lịch sử vũ trụ, theo các nhà sáng tạo của nó. Được công bố trên tạp chí Nature ngày 10 tháng 2, kết quả được tạo ra bởi nhà vật lý thiên văn Tiziana Di Matteo và các đồng nghiệp của cô khi còn ở Viện Max Planck lông Astrophysik ở Đức. Các cộng tác viên của Di Matteo bao gồm Volker Springel tại Viện Vật lý thiên văn Max-Planck và Lars Hernquist tại Đại học Harvard.
Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã bắt đầu đánh giá cao rằng tổng khối lượng các ngôi sao trong các thiên hà ngày nay tương ứng trực tiếp với kích thước của lỗ đen của thiên hà, nhưng cho đến nay, không ai có thể tính đến mối quan hệ được quan sát này, ông Di nói. Matteo, trợ lý giáo sư vật lý tại Carnegie Mellon. Sử dụng mô phỏng của chúng tôi đã cho chúng tôi một cách hoàn toàn mới để khám phá vấn đề này.
Chìa khóa cho các nhà nghiên cứu? đột phá là kết hợp các tính toán cho động lực của lỗ đen vào một mô hình tính toán của sự hình thành thiên hà.
Khi các thiên hà hình thành trong vũ trụ sơ khai, chúng có khả năng chứa các lỗ đen nhỏ ở trung tâm của chúng. Trong kịch bản tiêu chuẩn của sự hình thành thiên hà, các thiên hà phát triển bằng cách kết hợp với nhau bằng lực hấp dẫn. Trong quá trình đó, các lỗ đen ở trung tâm của chúng hợp nhất với nhau và nhanh chóng phát triển để đạt được khối lượng quan sát của chúng gấp một tỷ lần so với Mặt trời; do đó, chúng được gọi là lỗ đen siêu lớn. Cũng tại thời điểm sáp nhập, phần lớn các ngôi sao hình thành từ khí có sẵn. Các thiên hà ngày nay và các lỗ đen trung tâm của chúng phải là kết quả của một loạt các sự kiện như vậy.
Di Matteo và các đồng nghiệp đã mô phỏng sự va chạm của hai thiên hà non trẻ và nhận thấy rằng khi hai thiên hà kết hợp với nhau, hai lỗ đen siêu lớn của chúng đã hợp nhất và ban đầu tiêu thụ khí xung quanh. Nhưng hoạt động này là tự giới hạn. Khi lỗ đen siêu lớn còn sót lại của thiên hà hút khí, nó cung cấp một trạng thái phát quang gọi là chuẩn tinh. Các quasar đã cung cấp năng lượng cho khí xung quanh đến mức nó bị thổi bay ra khỏi vùng lân cận của lỗ đen siêu lớn ra bên ngoài thiên hà. Không có khí đốt gần đó, lỗ đen khổng lồ của thiên hà không thể ăn thịt để tự duy trì và trở nên im lìm. Đồng thời, khí không còn có sẵn để tạo thành bất kỳ ngôi sao nào nữa.
Chúng tôi đã phát hiện ra rằng năng lượng được giải phóng bởi các lỗ đen trong giai đoạn chuẩn tinh cung cấp một luồng gió mạnh ngăn vật liệu rơi vào lỗ đen, theo ông Spring Springel. Quá trình này ức chế sự phát triển của lỗ đen hơn nữa và tắt quasar, giống như sự hình thành sao dừng lại bên trong một thiên hà. Do đó, khối lượng lỗ đen và khối lượng sao trong một thiên hà có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Kết quả của chúng tôi cũng lần đầu tiên giải thích tại sao vòng đời chuẩn tinh là một giai đoạn ngắn như vậy so với cuộc sống của một thiên hà.
Trong các mô phỏng của họ, Di Matteo, Springel và Hernquist phát hiện ra rằng các lỗ đen trong các thiên hà nhỏ tự giới hạn sự phát triển của chúng hiệu quả hơn so với ở các thiên hà lớn hơn. Một thiên hà nhỏ hơn chứa lượng khí nhỏ hơn để một lượng năng lượng nhỏ từ lỗ đen có thể nhanh chóng thổi khí này đi. Trong một thiên hà rộng lớn, lỗ đen có thể đạt đến kích thước lớn hơn trước khi khí xung quanh của nó đủ năng lượng để ngừng rơi vào. Với khí của chúng nhanh chóng tiêu tốn, các thiên hà nhỏ hơn tạo ra ít ngôi sao hơn. Với một vũng khí tồn tại lâu hơn, các thiên hà lớn hơn tạo ra nhiều ngôi sao hơn. Những phát hiện này phù hợp với mối quan hệ được quan sát giữa kích thước lỗ đen và tổng khối lượng sao trong các thiên hà.
Mô phỏng của chúng tôi chứng minh rằng tự điều chỉnh có thể tính toán một cách định lượng cho các sự kiện quan sát được liên quan đến các lỗ đen và thiên hà, theo lời ông Hernquist, giáo sư và chủ tịch của ngành thiên văn học tại Khoa Khoa học và Nghệ thuật của Harvard. Nó cung cấp một lời giải thích cho nguồn gốc của đời quasar và sẽ cho phép chúng ta hiểu tại sao các quasar lại phong phú hơn trong vũ trụ sơ khai so với ngày nay.
Với những tính toán này, giờ đây chúng ta thấy rằng các lỗ đen phải có tác động rất lớn đến cách thức các thiên hà hình thành và phát triển, theo ông Di Di Matteo. Thành công đạt được cho đến nay sẽ cho phép chúng ta thực hiện các mô hình này trong các vũ trụ mô phỏng lớn hơn, để chúng ta có thể hiểu được các quần thể lỗ đen và thiên hà lớn ảnh hưởng lẫn nhau như thế nào trong bối cảnh vũ trụ.
Nhóm nghiên cứu đã thực hiện các mô phỏng của họ với các nguồn tài nguyên điện toán phong phú của Trung tâm tính toán vật lý thiên văn song song tại Trung tâm vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian và tại Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft ở Garched.
Nguồn gốc: Bản tin của Viện Max Planck
