Por que acreditamos que os buracos negros super maciços no centro de duas galáxias em fusão se fundiriam?

Ao ouvir podcasts ou assistir a vídeos do YouTube de astrônomos discutindo fusões de galáxias, frequentemente ouço falar sobre como os buracos negros super maciços em seus centros se fundirão durante ou logo após a colisão. Por que acreditamos que esse seja o caso?

A priori, eu esperaria que as SMBH se comportassem da mesma forma que todos os outros objetos galácticos. Eles podem ser extraordinariamente enormes, mas fisicamente ainda são minúsculos em comparação com o vasto espaço vazio entre as estrelas de uma galáxia. Colisões entre objetos (sem contar gigantescas nuvens de gás e poeira) seriam extraordinariamente raras; então, por que abrimos uma exceção para as SMBHs?

Eu pude ver um caso para eles se fundirem no (raro?) Caso em que as galáxias hospedeiras se chocam de tal maneira que o centro de massa mútuo coincide com seus centros de massa individuais. Nesse caso, as SMBH poderiam estar próximas o suficiente para orbitar umas sobre as outras, perdendo energia para as ondas gravitacionais e eventualmente se fundindo. Eu acho que esse cenário é bastante raro, no entanto. Acho mais plausível que uma fusão de galáxias média deixe as SMBH orbitando independentemente o centro da galáxia combinada, muito distantes para perder energia cinética significativa nas ondas gravitacionais.

Os astrônomos que falam sobre fusões galácticas sabem muito mais do que eu sobre o assunto, então presumo que haja falhas nas minhas suposições ou no meu entendimento da física. o que estou perdendo?

As SMBHs residem no fundo dos potenciais galácticos, que são dominados pelos halos de matéria escura das galáxias. Mas, embora a matéria escura domine a gravidade, colisões entre partículas de gás e poeira no meio interestelar causam atrito suficiente para que o componente bariônico das galáxias seja desacelerado. Isso fará com que os outros componentes das galáxias desacelerem também, por meio da atração gravitacional.

Além disso, apesar da matéria escura (e, na prática, estrelas e buracos negros, por serem tão pequenos) serem sem colisão, existem várias maneiras de "relaxar", isto é, evoluir para um equilíbrio. No contexto da fusão das galáxias, o mecanismo mais importante (eu acho) é o "relaxamento violento", onde a rápida mudança do potencial gravitacional faz com que as partículas relaxem, por exemplo, partículas mais massivas tendem a transferir mais energia para seus vizinhos mais leves e, assim, tornam-se mais firmemente ligado, afundando em direção ao centro do potencial gravitacional.

Embora as SMBHs sejam ... bem, supermassivas, o potencial (geralmente) será dominado por matéria escura, gás e estrelas, então o novo potencial gravitacional também fará com que as SMBHs procurem o fundo da mesma maneira e acabem se fundindo.

A resposta curta é " atrito dinâmico ": objetos maciços que se movem através de um campo de objetos menos maciços criam uma "esteira" que os puxa, levando à perda de energia. Como as SMBHs são muito mais massivas que as estrelas, as moléculas e os átomos do gás e as partículas de matéria escura (sejam elas quais forem), elas são especialmente propensas a isso. O efeito líquido é que as SMBHs percam energia e se instalem no centro do sistema (combinado).

Uma vez que eles formam um binário, eles também podem perder energia através de encontros de três corpos com estrelas perto do centro da galáxia (combinada): uma estrela interage com o binário SMBH e ganha energia (geralmente ejetada do núcleo da galáxia), enquanto o binário perde energia encolhendo. Galáxias elípticas maciças geralmente têm "núcleos" estelares de baixa densidade, que geralmente são considerados relíquias de uma ou mais rodadas de fusões binárias SMBH. Se houver muito gás no centro da galáxia, eles também podem diminuir através de interações gravitacionais com o gás.