Wawasan baru tentang pendinginan formasi bintang – Sains Terkini

Para astronom yang mempelajari evolusi galaksi telah lama berjuang untuk memahami apa yang menyebabkan pembentukan bintang ditutup dalam galaksi besar. Meskipun banyak teori telah diajukan untuk menjelaskan proses ini, yang dikenal sebagai "pendinginan", masih belum ada konsensus tentang model yang memuaskan.

Sekarang, tim internasional yang dipimpin oleh Sandra Faber, profesor emerita astronomi dan astrofisika di UC Santa Cruz, telah mengusulkan model baru yang berhasil menjelaskan berbagai pengamatan tentang struktur galaksi, lubang hitam supermasif, dan pendinginan formasi bintang. Para peneliti mempresentasikan temuan mereka dalam makalah yang diterbitkan 1 Juli di Jurnal Astrofisika.

Model ini mendukung salah satu ide utama tentang pendinginan yang menghubungkannya dengan "umpan balik" lubang hitam, energi yang dilepaskan ke galaksi dan sekitarnya dari lubang hitam supermasif pusat saat materi jatuh ke dalam lubang hitam dan memberi makan pertumbuhannya. Umpan balik energik ini memanaskan, mengeluarkan, atau mengganggu pasokan gas galaksi, mencegah masuknya gas dari halo galaksi untuk memberi makan pembentukan bintang.

"Idenya adalah bahwa di galaksi pembentuk bintang, lubang hitam pusat seperti parasit yang akhirnya tumbuh dan membunuh inangnya," Faber menjelaskan. "Itu sudah dikatakan sebelumnya, tetapi kita belum memiliki aturan yang jelas untuk mengatakan kapan sebuah lubang hitam cukup besar untuk menutup formasi bintang di galaksi inangnya, dan sekarang kita memiliki aturan kuantitatif yang benar-benar berfungsi untuk menjelaskan pengamatan kita."

Gagasan dasarnya melibatkan hubungan antara massa bintang-bintang di galaksi (massa bintang), bagaimana penyebaran bintang-bintang itu (jari-jari galaksi), dan massa lubang hitam pusat. Untuk galaksi pembentuk bintang dengan massa bintang tertentu, kepadatan bintang di pusat galaksi berkorelasi dengan jari-jari galaksi sehingga galaksi dengan jari-jari lebih besar memiliki kerapatan bintang pusat yang lebih rendah. Dengan asumsi bahwa massa lubang hitam pusat berskala dengan kepadatan bintang pusat, galaksi pembentuk bintang dengan jari-jari lebih besar (pada massa bintang tertentu) akan memiliki massa lubang hitam yang lebih rendah.


Apa artinya itu, Faber menjelaskan, adalah bahwa galaksi yang lebih besar (galaksi yang lebih besar dengan massa bintang tertentu) harus berevolusi lebih jauh dan membangun massa bintang yang lebih tinggi sebelum lubang hitam pusatnya dapat tumbuh cukup besar untuk memadamkan pembentukan bintang. Dengan demikian, galaksi-galaksi kecil radius padam pada massa yang lebih rendah daripada galaksi-galaksi besar.

"Itu adalah wawasan baru, bahwa jika galaksi dengan jari-jari besar memiliki lubang hitam yang lebih kecil pada massa bintang yang diberikan, dan jika umpan balik lubang hitam penting untuk pendinginan, maka galaksi radius besar harus berkembang lebih jauh," katanya. "Jika Anda menggabungkan semua asumsi ini, luar biasa, Anda dapat mereproduksi sejumlah besar tren yang diamati dalam sifat struktural galaksi."

Ini menjelaskan, misalnya, mengapa galaksi yang dipadamkan lebih masif memiliki kepadatan bintang pusat yang lebih tinggi, jari-jari lebih besar, dan lubang hitam pusat lebih besar.

Berdasarkan model ini, para peneliti menyimpulkan bahwa pendinginan dimulai ketika energi total yang dipancarkan dari lubang hitam adalah sekitar empat kali energi pengikat gravitasi gas dalam halo galaksi. Energi pengikat mengacu pada gaya gravitasi yang menahan gas di dalam lingkaran gelap materi yang menyelimuti galaksi. Quenching selesai ketika energi total yang dipancarkan dari lubang hitam adalah dua puluh kali energi ikat gas dalam halo galaksi.

Faber menekankan bahwa model tersebut belum menjelaskan secara rinci mekanisme fisik yang terlibat dalam pendinginan formasi bintang. "Proses fisik kunci yang ditimbulkan oleh teori sederhana ini belum dipahami," katanya. "Namun, kelebihan dari ini adalah memiliki aturan sederhana untuk setiap langkah dalam proses menantang para ahli teori untuk menghasilkan mekanisme fisik yang menjelaskan setiap langkah."

Para astronom terbiasa berpikir dalam bentuk diagram yang memplot hubungan antara sifat-sifat galaksi yang berbeda dan menunjukkan bagaimana mereka berubah seiring waktu. Diagram ini mengungkapkan perbedaan dramatis dalam struktur antara galaksi pembentuk bintang dan padam dan batas tajam di antara mereka. Karena formasi bintang memancarkan banyak cahaya di ujung biru dari spektrum warna, para astronom menyebut galaksi pembentuk bintang "biru", galaksi diam "merah", dan "lembah hijau" sebagai transisi di antara mereka. Pada tahap mana sebuah galaksi terungkap oleh laju pembentukan bintangnya.

Salah satu kesimpulan penelitian adalah bahwa laju pertumbuhan lubang hitam harus berubah ketika galaksi berevolusi dari satu tahap ke tahap berikutnya. Bukti pengamatan menunjukkan bahwa sebagian besar pertumbuhan lubang hitam terjadi di lembah hijau ketika galaksi mulai padam.

"Lubang hitam tampaknya dilepaskan begitu formasi bintang melambat," kata Faber. "Ini adalah wahyu, karena itu menjelaskan mengapa massa lubang hitam di galaksi pembentuk bintang mengikuti satu hukum penskalaan, sedangkan lubang hitam di galaksi yang dipadamkan mengikuti hukum penskalaan lainnya. Itu masuk akal jika massa lubang hitam tumbuh pesat saat berada di lembah hijau."


Faber dan kolaboratornya telah membahas masalah ini selama bertahun-tahun. Sejak 2010, Faber bersama-sama memimpin program survei galaksi Hubble Space Telescope (CANDELS, Survei Warisan Near-infrared Deep Extragalactic Legacy, yang menghasilkan data yang digunakan dalam penelitian ini. Dalam menganalisis data CANDELS, dia telah bekerja erat dengan tim yang dipimpin oleh Joel Primack, profesor emeritus fisika UCSC, yang mengembangkan simulasi kosmologis Bolshoi tentang evolusi lingkaran cahaya materi gelap tempat galaksi terbentuk. Lingkaran cahaya ini memberikan perancah di mana teori membangun fase pembentukan bintang awal evolusi galaksi sebelum pendinginan.

Gagasan sentral dalam makalah ini muncul dari analisis data CANDELS dan pertama kali mengenai Faber sekitar empat tahun lalu. "Tiba-tiba melompat ke arah saya, dan saya menyadari jika kita menyatukan semua ini – jika galaksi memiliki lintasan sederhana dalam radius versus massa, dan jika energi black hole perlu mengatasi energi pengikat halo – itu dapat menjelaskan semua kemiringan ini batas dalam diagram struktural galaksi, "katanya.

Pada saat itu, Faber sering melakukan perjalanan ke China, di mana ia telah terlibat dalam kolaborasi penelitian dan kegiatan lainnya. Dia adalah profesor tamu di Shanghai Normal University, tempat dia bertemu penulis pertama Zhu Chen. Chen datang ke UC Santa Cruz pada tahun 2017 sebagai peneliti tamu dan mulai bekerja dengan Faber untuk mengembangkan ide-ide ini tentang pendinginan galaksi.

"Secara matematis dia sangat bagus, lebih baik dari saya, dan dia melakukan semua perhitungan untuk makalah ini," kata Faber.

Faber juga memuji kolaborator lamanya David Koo, profesor UCSC emeritus astronomi dan astrofisika, untuk pertama kali memusatkan perhatian pada kepadatan pusat galaksi sebagai kunci untuk pertumbuhan lubang hitam pusat.

Di antara teka-teki yang dijelaskan oleh model baru ini adalah perbedaan yang mencolok antara galaksi Bima Sakti kita dan tetangganya yang sangat mirip, Andromeda. "Bima Sakti dan Andromeda memiliki massa bintang yang hampir sama, tetapi lubang hitam Andromeda hampir 50 kali lebih besar dari Bima Sakti," kata Faber. "Gagasan bahwa lubang hitam banyak tumbuh di lembah hijau berarti menjelaskan misteri ini. Bima Sakti baru saja memasuki lembah hijau dan lubang hitamnya masih kecil, sedangkan Andromeda baru saja keluar sehingga lubang hitamnya telah tumbuh jauh lebih besar, dan juga lebih padam dari Bima Sakti. "

Selain Faber, Chen, Koo, dan Primack, rekan penulis makalah ini termasuk peneliti di sekitar dua lusin lembaga di tujuh negara. Pekerjaan ini didanai oleh hibah dari NASA dan National Science Foundation.

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.