Почему мы верим, что сверхмассивные черные дыры в центрах двух сливающихся галактик сами сольются?

Когда я слушаю подкасты или смотрю на YouTube видео астрономов, обсуждающих слияния галактик, я часто слышу разговоры о том, как сверхмассивные черные дыры в их центрах сами сольются во время или вскоре после столкновения. Почему мы считаем, что это так?

Априори я бы ожидал, что SMBH будут вести себя так же, как и все другие галактические объекты. Они могут быть чрезвычайно массивными, но физически они все еще ничтожны по сравнению с огромным пустым пространством между звездами в галактике. Столкновения между объектами (не считая гигантских облаков газа и пыли) были бы чрезвычайно редкими, так почему же мы делаем исключение для SMBH?

Я мог видеть случай их слияния в (редком?) Случае, когда галактики-хозяева ударяются друг о друга таким образом, что взаимный центр масс оказывается совпадающим с их отдельными центрами масс. В этом случае SMBH могут быть достаточно близко, чтобы вращаться вокруг друг друга, теряя энергию гравитационным волнам и в конечном итоге сливаясь. Я думаю, что этот сценарий довольно редок. Я считаю более правдоподобным, что среднее слияние галактик оставит SMBH независимо вращающимся вокруг центра объединенной галактики, слишком далеко друг от друга, чтобы потерять какую-либо значительную кинетическую энергию для гравитационных волн.

Астрономы, которые говорят о слиянии галактик, знают намного больше, чем я, о предмете, поэтому я предполагаю, что в моих предположениях или в моем понимании физики есть недостатки. Что мне не хватает?

SMBH находятся в нижней части галактических потенциалов, в которых преобладают гало темной материи галактик. Но хотя темная материя доминирует над гравитацией, столкновения между частицами газа и пыли в межзвездной среде вызывают достаточное трение, чтобы барионная составляющая галактик замедлялась. Это приведет к тому, что другие компоненты галактик также замедлятся благодаря гравитационному притяжению.

Более того, несмотря на то, что темная материя (а на практике звезды и черные дыры, поскольку они такие маленькие) не имеют столкновений, существует несколько способов «расслабления», то есть эволюции к равновесию. В контексте слияния галактик наиболее важным механизмом (я думаю) является «насильственное расслабление», когда быстрое изменение гравитационного потенциала заставляет частицы расслабляться, например, более массивные частицы имеют тенденцию передавать больше энергии своим более легким соседям и, таким образом, становятся более тесно связаны, опускаясь к центру гравитационного потенциала.

Хотя SMBHs… ну, в общем, сверхмассивные, в потенциале (обычно) будут доминировать темная материя, газ и звезды, поэтому новый гравитационный потенциал также заставит SMBH стремиться к основанию таким же образом и в конечном итоге слиться.

Короткий ответ - « динамическое трение »: массивные объекты, движущиеся через поле менее массивных объектов, создают «след», который оттягивает их назад, что приводит к потере энергии. Поскольку SMBH гораздо более массивны, чем звезды, молекулы и атомы газа, а также частицы темной материи (какими бы они ни были), они особенно подвержены этому. В результате SMBH теряет энергию и оседает в центре (объединенной) системы.

Как только они образуют двойную, они могут также потерять энергию при столкновении трех тел со звездами около (объединенного) центра галактики: звезда взаимодействует с двойной звездой SMBH и получает энергию (обычно выбрасываемую из ядра галактики), в то время как двойная энергия теряет энергию сжимаясь. Массивные эллиптические галактики часто имеют звездные «ядра» низкой плотности, которые обычно считаются реликтами одного или нескольких раундов слияний SMBH-бинарных. Если в центре галактики много газа, они могут также сжаться в двоичном состоянии благодаря гравитационному взаимодействию с газом.