Una nuova teoria spiega come i buchi neri crescano in funzione della massa delle galassie e alla fine estinguano la formazione stellare nelle loro galassie ospiti. Le immagini su questo grafico sono di galassie vicine nell'era attuale prese dalla Sloan Digital Sky Survey, scelto per rappresentare l'evoluzione della galassia. Il grafico mostra come l'evoluzione dei piccoli, galassie dense differisce da quella delle galassie più grandi, galassie più diffuse. Le galassie più dense hanno buchi neri più grandi per la loro massa e quindi si estingono prima, con una massa inferiore, mentre le galassie più diffuse hanno buchi neri più piccoli per la loro massa e devono crescere di più prima che si verifichi l'estinzione. Il passaggio a una pendenza più ripida segna l'ingresso nella "valle verde", dove inizia la tempra. La teoria dice che i buchi neri iniziano a crescere più velocemente a questo punto. La nostra Via Lattea è in quel punto critico ora, e si prevede che il suo buco nero cresca di un altro fattore tre prima del completo spegnimento. Crediti:Sandra Faber/Sofia Quiros/SDSS
Gli astronomi che studiano l'evoluzione delle galassie hanno lottato a lungo per capire cosa causa l'arresto della formazione stellare nelle galassie massicce. Sebbene siano state proposte molte teorie per spiegare questo processo, noto come "tempra, "non c'è ancora consenso su un modello soddisfacente.
Ora, un team internazionale guidato da Sandra Faber, professore emerito di astronomia e astrofisica all'UC Santa Cruz, ha proposto un nuovo modello che spiega con successo un'ampia gamma di osservazioni sulla struttura delle galassie, buchi neri supermassicci, e l'estinzione della formazione stellare. I ricercatori hanno presentato i loro risultati in un articolo pubblicato il 1 luglio nel Giornale Astrofisico .
Il modello supporta una delle idee principali sull'estinzione che lo attribuisce al "feedback" del buco nero, " l'energia rilasciata in una galassia e nei suoi dintorni da un buco nero supermassiccio centrale mentre la materia cade nel buco nero e alimenta la sua crescita. Questo feedback energetico riscalda, espelle, o interrompe in altro modo l'approvvigionamento di gas della galassia, impedendo la caduta di gas dall'alone della galassia per alimentare la formazione stellare.
"L'idea è che nelle galassie che formano stelle, il buco nero centrale è come un parassita che alla fine cresce e uccide l'ospite, " Ha spiegato Faber. "Questo è stato detto prima, ma non abbiamo regole chiare da dire quando un buco nero è abbastanza grande da bloccare la formazione stellare nella sua galassia ospite, e ora abbiamo regole quantitative che funzionano davvero per spiegare le nostre osservazioni".
L'idea di base riguarda la relazione tra la massa delle stelle in una galassia (massa stellare), quanto sono sparse quelle stelle (il raggio della galassia), e la massa del buco nero centrale. Per le galassie che formano stelle con una data massa stellare, la densità delle stelle nel centro della galassia è correlata con il raggio della galassia in modo che le galassie con raggi più grandi abbiano densità stellari centrali inferiori. Supponendo che la massa del buco nero centrale scali con la densità stellare centrale, Le galassie che formano stelle con raggi più grandi (a una data massa stellare) avranno masse di buchi neri inferiori.
Cosa significa, Faber ha spiegato, è che le galassie più grandi (quelle con raggi più grandi per una data massa stellare) devono evolversi ulteriormente e costruire una massa stellare più alta prima che i loro buchi neri centrali possano diventare abbastanza grandi da estinguere la formazione stellare. Così, le galassie di piccolo raggio si estingono a masse inferiori rispetto alle galassie di grande raggio.
"Questa è la nuova intuizione, che se le galassie con grandi raggi hanno buchi neri più piccoli a una data massa stellare, e se il feedback del buco nero è importante per l'estinzione, allora le galassie di grande raggio devono evolversi ulteriormente, " ha detto. "Se metti insieme tutte queste ipotesi, sorprendentemente, è possibile riprodurre un gran numero di tendenze osservate nelle proprietà strutturali delle galassie".
Questo spiega, Per esempio, perché le galassie spente più massicce hanno densità stellari centrali più elevate, raggi maggiori, e buchi neri centrali più grandi.
Sulla base di questo modello, i ricercatori hanno concluso che l'estinzione inizia quando l'energia totale emessa dal buco nero è circa quattro volte l'energia di legame gravitazionale del gas nell'alone galattico. L'energia di legame si riferisce alla forza gravitazionale che trattiene il gas all'interno dell'alone di materia oscura che avvolge la galassia. L'estinzione è completa quando l'energia totale emessa dal buco nero è venti volte l'energia di legame del gas nell'alone galattico.
Faber ha sottolineato che il modello non spiega ancora in dettaglio i meccanismi fisici coinvolti nell'estinzione della formazione stellare. "I principali processi fisici evocati da questa semplice teoria non sono ancora stati compresi, " ha detto. "La virtù di questo, anche se, è che avere regole semplici per ogni fase del processo sfida i teorici a trovare meccanismi fisici che spieghino ogni fase".
Gli astronomi sono abituati a pensare in termini di diagrammi che tracciano le relazioni tra le diverse proprietà delle galassie e mostrano come cambiano nel tempo. Questi diagrammi rivelano le drammatiche differenze nella struttura tra le galassie in formazione stellare e quelle spente e i confini netti tra di esse. Poiché la formazione stellare emette molta luce all'estremità blu dello spettro dei colori, gli astronomi si riferiscono alle galassie "blu" che formano stelle, galassie quiescenti "rosse", e la "valle verde" come passaggio tra di loro. Lo stadio in cui si trova una galassia è rivelato dal suo tasso di formazione stellare.
Una delle conclusioni dello studio è che il tasso di crescita dei buchi neri deve cambiare man mano che le galassie si evolvono da uno stadio all'altro. L'evidenza osservativa suggerisce che la maggior parte della crescita del buco nero si verifica nella valle verde quando le galassie iniziano a spegnersi.
"Il buco nero sembra scatenarsi proprio mentre la formazione stellare rallenta, " Ha detto Faber. "Questa è stata una rivelazione, perché spiega perché le masse dei buchi neri nelle galassie che formano stelle seguono una legge di scala, mentre i buchi neri nelle galassie spente seguono un'altra legge di scala. Ciò ha senso se la massa del buco nero cresce rapidamente mentre si trova nella valle verde".
Faber e i suoi collaboratori discutono di questi temi da molti anni. Dal 2010, Faber ha co-diretto un importante programma di rilevamento galattico del telescopio spaziale Hubble (CANDELS, la Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey), che ha prodotto i dati utilizzati in questo studio. Nell'analizzare i dati di CANDELS, ha lavorato a stretto contatto con un team guidato da Joel Primack, professore emerito di fisica UCSC, che ha sviluppato la simulazione cosmologica Bolshoi dell'evoluzione degli aloni di materia oscura in cui si formano le galassie. Questi aloni forniscono l'impalcatura su cui la teoria costruisce la prima fase di formazione stellare dell'evoluzione delle galassie prima dell'estinzione.
Le idee centrali dell'articolo sono emerse dall'analisi dei dati di CANDELS e hanno colpito per la prima volta Faber circa quattro anni fa. "Mi è balzato addosso all'improvviso, e ho capito che se mettessimo insieme tutte queste cose, se le galassie avessero una semplice traiettoria in raggio rispetto alla massa, e se l'energia del buco nero ha bisogno di superare l'energia di legame dell'alone, può spiegare tutti questi confini obliqui nei diagrammi strutturali delle galassie, " lei disse.
Al tempo, Faber faceva frequenti viaggi in Cina, dove è stata coinvolta in collaborazioni di ricerca e altre attività. È stata visiting professor alla Shanghai Normal University, dove ha incontrato il primo autore Zhu Chen. Chen è arrivato alla UC Santa Cruz nel 2017 come ricercatore in visita e ha iniziato a lavorare con Faber per sviluppare queste idee sull'estinzione della galassia.
"Lei è matematicamente molto brava, meglio di me, e ha fatto tutti i calcoli per questo foglio, " ha detto Faber.
Faber ha anche attribuito al suo collaboratore di lunga data David Koo, professore emerito di astronomia e astrofisica UCSC, per aver prima focalizzato l'attenzione sulle densità centrali delle galassie come chiave per la crescita dei buchi neri centrali.
Tra gli enigmi spiegati da questo nuovo modello c'è una notevole differenza tra la nostra galassia della Via Lattea e la sua vicina molto simile Andromeda. "La Via Lattea e Andromeda hanno quasi la stessa massa stellare, ma il buco nero di Andromeda è quasi 50 volte più grande di quello della Via Lattea, " Ha detto Faber. "L'idea che i buchi neri crescano molto nella valle verde fa molto per spiegare questo mistero. La Via Lattea è appena entrata nella valle verde e il suo buco nero è ancora piccolo, considerando che Andromeda sta appena uscendo, quindi il suo buco nero è diventato molto più grande, ed è anche più spento della Via Lattea."
