Warum glauben wir, dass die supermassiven Schwarzen Löcher in den Zentren zweier sich verschmelzender Galaxien sich selbst verschmelzen würden?

Wenn ich Podcasts höre oder Youtube-Videos von Astronomen sehe, die über Galaxienfusionen diskutieren, höre ich oft, wie die supermassiven Schwarzen Löcher in ihren Zentren während oder kurz nach der Kollision miteinander verschmelzen. Warum glauben wir, dass dies der Fall ist?

A priori würde ich erwarten, dass sich SMBHs wie alle anderen galaktischen Objekte verhalten. Sie mögen außerordentlich massereich sein, aber physisch sind sie immer noch winzig im Vergleich zu dem riesigen leeren Raum zwischen Sternen in einer Galaxie. Kollisionen zwischen Objekten (ohne gigantische Gas- und Staubwolken) wären außerordentlich selten. Warum machen wir also eine Ausnahme für die SMBH?

Ich konnte sehen, dass sie in dem (seltenen?) Fall verschmelzen, in dem sich die Wirtsgalaxien so treffen, dass der gegenseitige Massenschwerpunkt zufällig mit ihren einzelnen Massenschwerpunkten zusammenfällt. In diesem Fall könnten die SMBH nahe genug sein, um umeinander zu kreisen, Energie durch Gravitationswellen zu verlieren und schließlich zu verschmelzen. Ich würde jedoch denken, dass dieses Szenario eher selten ist. Ich halte es für plausibler, dass ein durchschnittlicher Galaxienzusammenschluss die SMBHs unabhängig voneinander um das Zentrum der kombinierten Galaxie kreisen lässt, zu weit voneinander entfernt, um signifikante kinetische Energie an Gravitationswellen zu verlieren.

Die Astronomen, die über galaktische Fusionen sprechen, wissen sehr viel mehr als ich über dieses Thema. Ich gehe also davon aus, dass es Fehler in meinen Annahmen oder meinem Verständnis der Physik gibt. Was vermisse ich?

Die SMBHs befinden sich auf dem Boden der galaktischen Potentiale, die von den Halos der dunklen Materie der Galaxien dominiert werden. Obwohl dunkle Materie die Schwerkraft dominiert, verursachen Kollisionen zwischen Gas- und Staubpartikeln im interstellaren Medium genügend Reibung, dass die Baryonenkomponente der Galaxien abgebremst wird. Dadurch werden auch die anderen Komponenten der Galaxien durch die Anziehung durch die Schwerkraft abgebremst.

Obwohl dunkle Materie (und in der Praxis Sterne und Schwarze Löcher, da sie so klein sind) kollisionsfrei sind, gibt es darüber hinaus verschiedene Möglichkeiten, sich zu "entspannen", dh sich zu einem Gleichgewicht zu entwickeln. Im Zusammenhang mit der Verschmelzung von Galaxien ist der wichtigste Mechanismus (glaube ich) die "gewaltsame Entspannung", bei der die schnelle Änderung des Gravitationspotentials dazu führt, dass sich Partikel entspannen. Beispielsweise tendieren massereichere Partikel dazu, mehr Energie an ihre leichteren Nachbarn zu übertragen und werden so enger gebunden, sinkt zum Zentrum des Gravitationspotentials hin.

Obwohl SMBHs…, na ja, supermassiv sind, wird das Potenzial (normalerweise) von Dunkler Materie, Gas und Sternen dominiert, so dass das neue Gravitationspotenzial auch die SMBHs dazu veranlasst, auf die gleiche Weise nach unten zu streben und schließlich zu verschmelzen.

Die kurze Antwort lautet " dynamische Reibung ": Massive Objekte, die sich durch ein Feld von weniger massiven Objekten bewegen, erzeugen ein "Wake", das sie zurückzieht und zu einem Energieverlust führt. Da die SMBHs viel massereicher sind als die Sterne, die Moleküle und Atome des Gases und die Teilchen der dunklen Materie (was auch immer sie sein mögen), sind sie dafür besonders anfällig. Der Nettoeffekt besteht darin, dass die SMBH Energie verlieren und sich in der Mitte des (kombinierten) Systems ansiedeln.

Sobald sie einen Doppelstern bilden, können sie auch Energie durch Dreikörper-Begegnungen mit Sternen in der Nähe des (kombinierten) Galaxienzentrums verlieren: Ein Stern interagiert mit dem Doppelstern des SMBH und gewinnt Energie (normalerweise aus dem Galaxienkern ausgestoßen), während der Doppelstern Energie verliert durch Schrumpfen. Massive elliptische Galaxien haben oft Sternkerne mit geringer Dichte, von denen normalerweise angenommen wird, dass sie die Relikte einer oder mehrerer Runden von SMBH-binären Fusionen sind. Befindet sich viel Gas im Galaxienzentrum, können sie auch durch Gravitationswechselwirkungen mit dem Gas binär schrumpfen.