Perché crediamo che i buchi neri super massicci al centro di due galassie che si fondono si fonderebbero?

Quando ascolto podcast o guardo video di YouTube su astronomi che discutono di fusioni di galassie, sento spesso parlare di come i buchi neri super massicci nei loro centri si fonderanno da soli durante o subito dopo la collisione. Perché crediamo che sia così?

A priori, mi aspetto che gli SMBH si comportino allo stesso modo di tutti gli altri oggetti galattici. Potrebbero essere straordinariamente massicci, ma fisicamente sono ancora minuscoli rispetto al vasto spazio vuoto tra le stelle in una galassia. Le collisioni tra oggetti (senza contare gigantesche nuvole di gas e polvere) sarebbero straordinariamente rare, quindi perché facciamo un'eccezione per gli SMBH?

Ho potuto vedere un caso per loro che si fondono nel caso (raro?) In cui le galassie ospiti si colpiscono a vicenda in modo tale che il reciproco centro di massa coincida con i loro singoli centri di massa. In tal caso, gli SMBH potrebbero essere abbastanza vicini da orbitare l'uno attorno all'altro, perdendo energia a causa delle onde gravitazionali e infine fondendosi. Penso che questo scenario sia piuttosto raro, tuttavia. Trovo più plausibile che una fusione della galassia media lascerebbe l'SMBH in orbita indipendente attorno al centro della galassia combinata, troppo distante per perdere qualsiasi energia cinetica significativa a causa delle onde gravitazionali.

Gli astronomi che parlano di fusioni galattiche conoscono molto di più di quanto non faccia io riguardo all'argomento, quindi presumo ci siano difetti nei miei presupposti o nella mia comprensione della fisica. Cosa mi sto perdendo?

Gli SMBH risiedono nella parte inferiore dei potenziali galattici, che sono dominati dagli aloni della materia oscura delle galassie. Ma sebbene la materia oscura domini la gravità, le collisioni tra particelle di gas e polvere nel mezzo interstellare causano abbastanza attrito da rallentare la componente barionica delle galassie. Ciò farà rallentare anche gli altri componenti delle galassie, attraverso l'attrazione gravitazionale.

Inoltre, nonostante la materia oscura (e, in pratica, le stelle e i buchi neri, essendo così piccoli) essendo senza collisioni, ci sono diversi modi di "rilassarsi", cioè di evolvere verso un equilibrio. Nel contesto della fusione della galassia, il meccanismo più importante (credo) è il "rilassamento violento", in cui il rapido cambiamento del potenziale gravitazionale provoca il rilassamento delle particelle, ad esempio particelle più massicce tendono a trasferire più energia ai loro vicini più leggeri e così diventano più strettamente legato, sprofondando verso il centro del potenziale gravitazionale.

Sebbene gli SMBH siano ..., beh, supermassicci, il potenziale sarà (di solito) dominato dalla materia oscura, dal gas e dalle stelle, quindi il nuovo potenziale gravitazionale farà sì che gli SMBH cerchino verso il fondo allo stesso modo e alla fine si fondano.

La risposta breve è " attrito dinamico ": oggetti voluminosi che si muovono attraverso un campo di oggetti meno voluminosi creano una "scia" che si ritrae su di loro, portando alla perdita di energia. Poiché gli SMBH sono molto più massicci delle stelle, delle molecole e degli atomi del gas e delle particelle di materia oscura (qualunque esse siano), sono particolarmente inclini a questo. L'effetto netto è che gli SMBH perdono energia e si depositano al centro del sistema (combinato).

Una volta che formano un binario, possono anche perdere energia attraverso incontri a 3 corpi con stelle vicino al centro (combinato) della galassia: una stella interagisce con il binario SMBH e guadagna energia (solitamente espulsa dal nucleo della galassia), mentre il binario perde energia restringendosi. Le galassie ellittiche di massa hanno spesso "core" stellari a bassa densità, che di solito sono considerati le reliquie di uno o più round di fusioni binarie SMBH. Se c'è molto gas nel centro della galassia, i binari possono anche ridursi attraverso interazioni gravitazionali con il gas.