Menggunakan model komputer baru pembentukan galaksi, para peneliti telah menunjukkan bahwa lubang hitam yang tumbuh melepaskan ledakan energi yang secara fundamental mengatur evolusi galaksi dan pertumbuhan lubang hitam itu sendiri. Model ini menjelaskan untuk pertama kalinya fenomena yang diamati dan berjanji untuk memberikan wawasan yang lebih dalam tentang pemahaman kita tentang pembentukan galaksi dan peran lubang hitam sepanjang sejarah kosmik, menurut penciptanya. Diterbitkan di Nature edisi 10 Februari, hasilnya dihasilkan oleh astrofisikawan Universitas Carnegie Mellon Tiziana Di Matteo dan rekan-rekannya saat di Max Planck Institut fur Astrophysik di Jerman. Kolaborator Di Matteo termasuk Volker Springel di Max-Planck Institute for Astrophysics dan Lars Hernquist di Universitas Harvard.
"Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan mulai menghargai bahwa massa total bintang di galaksi saat ini berhubungan langsung dengan ukuran lubang hitam galaksi, tetapi sampai sekarang, tidak ada yang bisa menjelaskan hubungan yang diamati ini," kata Di Matteo, asisten profesor fisika di Carnegie Mellon. "Menggunakan simulasi kami telah memberi kami cara yang sama sekali baru untuk mengeksplorasi masalah ini."
Kunci bagi para peneliti? terobosan itu menggabungkan perhitungan untuk dinamika lubang hitam ke dalam model komputasi pembentukan galaksi.
Saat galaksi terbentuk di alam semesta awal, mereka kemungkinan berisi lubang hitam kecil di pusatnya. Dalam skenario standar pembentukan galaksi, galaksi tumbuh dengan bersatu dengan tarikan gravitasi. Dalam prosesnya, lubang hitam di pusatnya bergabung bersama dan dengan cepat tumbuh untuk mencapai massa yang diamati sebanyak satu miliar kali dari Matahari; karenanya, mereka disebut lubang hitam supermasif. Juga pada saat merger, sebagian besar bintang terbentuk dari gas yang tersedia. Galaksi-galaksi saat ini dan lubang hitam pusatnya harus merupakan hasil dari serangkaian peristiwa semacam itu.
Di Matteo dan rekan-rekannya mensimulasikan tabrakan dua galaksi yang baru lahir dan menemukan bahwa ketika kedua galaksi bergabung, dua lubang hitam supermasif mereka bergabung dan pada awalnya mengonsumsi gas di sekitarnya. Tetapi kegiatan ini membatasi diri. Sebagai lubang hitam supermasif sisa galaksi menyedot gas, itu didukung negara bercahaya yang disebut quasar. Quasar memberi energi pada gas di sekitarnya sedemikian rupa sehingga diledakkan dari sekitar lubang hitam supermasif ke bagian luar galaksi. Tanpa gas di dekatnya, lubang hitam supermasif galaksi tidak bisa "makan" untuk mempertahankan diri dan menjadi tidak aktif. Pada saat yang sama, gas tidak lagi tersedia untuk membentuk bintang lagi.
"Kami telah menemukan bahwa energi yang dikeluarkan oleh lubang hitam selama fase quasar menggerakkan angin kencang yang mencegah material jatuh ke dalam lubang hitam," kata Springel. “Proses ini menghambat pertumbuhan lubang hitam lebih lanjut dan menutup quasar, seperti formasi bintang yang berhenti di dalam galaksi. Akibatnya, massa lubang hitam dan massa bintang di galaksi saling terkait erat. Hasil kami juga menjelaskan untuk pertama kalinya mengapa masa pakai quasar adalah fase yang begitu singkat dibandingkan dengan kehidupan sebuah galaksi. ”
Dalam simulasi mereka, Di Matteo, Springel dan Hernquist menemukan bahwa lubang hitam di galaksi kecil membatasi pertumbuhan mereka lebih efektif daripada di galaksi yang lebih besar. Galaksi yang lebih kecil mengandung sejumlah kecil gas sehingga sejumlah kecil energi dari lubang hitam dapat dengan cepat meniup gas ini. Di galaksi besar, lubang hitam bisa mencapai ukuran yang lebih besar sebelum gas di sekitarnya cukup berenergi untuk berhenti jatuh. Dengan gasnya yang cepat habis, galaksi yang lebih kecil menghasilkan lebih sedikit bintang. Dengan kumpulan gas yang berumur panjang, galaksi yang lebih besar menghasilkan lebih banyak bintang. Temuan ini cocok dengan hubungan yang diamati antara ukuran lubang hitam dan massa total bintang di galaksi.
"Simulasi kami menunjukkan bahwa pengaturan diri secara kuantitatif dapat menjelaskan fakta yang diamati terkait dengan lubang hitam dan galaksi," kata Hernquist, profesor dan ketua astronomi di Fakultas Seni dan Sains Harvard. "Ini memberikan penjelasan tentang asal usul masa pakai quasar dan harus memungkinkan kita untuk memahami mengapa quasar lebih berlimpah di alam semesta awal daripada sekarang."
"Dengan perhitungan ini, kita sekarang melihat bahwa lubang hitam pasti memiliki dampak yang sangat besar pada cara galaksi terbentuk dan berevolusi," kata Di Matteo. "Keberhasilan yang diperoleh sejauh ini akan memungkinkan kita untuk menerapkan model ini dalam semesta simulasi yang lebih besar, sehingga kita dapat memahami bagaimana populasi lubang hitam dan galaksi yang besar saling mempengaruhi dalam konteks kosmologis."
Tim menjalankan simulasi mereka dengan sumber daya komputasi yang luas dari Center for Parallel Astrophysical Computing di Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics dan di Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft di Garching.
Sumber Asli: Rilis Berita Max Planck Institute
