Astrônomos que estudam a evolução das galáxias há muito lutam para entender o que causa o desligamento da formação de estrelas em galáxias massivas. Embora muitas teorias tenham sido propostas para explicar este processo, conhecido como "têmpera, “ainda não há consenso sobre um modelo satisfatório.

Agora, uma equipe internacional liderada por Sandra Faber, professora emérita de astronomia e astrofísica na UC Santa Cruz, propôs um novo modelo que explica com sucesso uma ampla gama de observações sobre a estrutura da galáxia, buracos negros supermassivos, e a extinção da formação de estrelas. Os pesquisadores apresentaram suas descobertas em um artigo publicado em 1º de julho no Astrophysical Journal .

O modelo apóia uma das principais ideias sobre extinção que o atribui ao feedback do buraco negro, "a energia liberada em uma galáxia e seus arredores de um buraco negro supermassivo central quando a matéria cai no buraco negro e alimenta seu crescimento. Este feedback energético aquece, ejeta, ou interrompe o suprimento de gás da galáxia, evitando a queda de gás do halo da galáxia para alimentar a formação de estrelas.

"A ideia é que em galáxias que formam estrelas, o buraco negro central é como um parasita que, em última análise, cresce e mata o hospedeiro, "Faber explicou." Isso já foi dito antes, mas não temos regras claras para dizer quando um buraco negro é grande o suficiente para interromper a formação de estrelas em sua galáxia hospedeira, e agora temos regras quantitativas que realmente funcionam para explicar nossas observações. "

A ideia básica envolve a relação entre a massa das estrelas em uma galáxia (massa estelar), como essas estrelas estão espalhadas (o raio da galáxia), e a massa do buraco negro central. Para galáxias em formação de estrelas com uma determinada massa estelar, a densidade das estrelas no centro da galáxia se correlaciona com o raio da galáxia, de modo que galáxias com raios maiores têm densidades estelares centrais mais baixas. Supondo que a massa do buraco negro central seja dimensionada com a densidade estelar central, galáxias formadoras de estrelas com raios maiores (em uma dada massa estelar) terão massas menores de buracos negros.

O que isso significa, Faber explicou, é que galáxias maiores (aquelas com raios maiores para uma dada massa estelar) precisam evoluir ainda mais e construir uma massa estelar maior antes que seus buracos negros centrais possam crescer o suficiente para extinguir a formação de estrelas. Assim, as galáxias de raio pequeno se extinguem em massas menores do que as galáxias de raio grande.

"Esse é o novo insight, que se galáxias com raios grandes têm buracos negros menores em uma determinada massa estelar, e se o feedback do buraco negro é importante para a extinção, então as galáxias de raio grande têm que evoluir ainda mais, "ela disse." Se você juntar todas essas suposições, Surpreendentemente, você pode reproduzir um grande número de tendências observadas nas propriedades estruturais das galáxias. "

Isso explica, por exemplo, porque galáxias mais massivas extinguidas têm densidades estelares centrais mais altas, raios maiores, e buracos negros centrais maiores.

Com base neste modelo, os pesquisadores concluíram que a extinção começa quando a energia total emitida pelo buraco negro é aproximadamente quatro vezes a energia de ligação gravitacional do gás no halo galáctico. A energia de ligação se refere à força gravitacional que mantém o gás dentro do halo de matéria escura que envolve a galáxia. A extinção está completa quando a energia total emitida pelo buraco negro é vinte vezes a energia de ligação do gás no halo galáctico.

Faber enfatizou que o modelo ainda não explica em detalhes os mecanismos físicos envolvidos na extinção da formação de estrelas. "Os principais processos físicos que esta teoria simples evoca ainda não foram compreendidos, "ela disse." A virtude disso, no entanto, é que ter regras simples para cada etapa do processo desafia os teóricos a criar mecanismos físicos que expliquem cada etapa. "

Os astrônomos estão acostumados a pensar em termos de diagramas que traçam as relações entre as diferentes propriedades das galáxias e mostram como elas mudam ao longo do tempo. Esses diagramas revelam as diferenças dramáticas na estrutura entre galáxias em formação de estrelas e galáxias extintas e os limites nítidos entre elas. Como a formação de estrelas emite muita luz na extremidade azul do espectro de cores, astrônomos referem-se a galáxias formadoras de estrelas "azuis", galáxias quiescentes "vermelhas", e o "vale verde" como a transição entre eles. O estágio em que uma galáxia se encontra é revelado por sua taxa de formação de estrelas.

Uma das conclusões do estudo é que a taxa de crescimento dos buracos negros deve mudar à medida que as galáxias evoluem de um estágio para o próximo. A evidência observacional sugere que a maior parte do crescimento dos buracos negros ocorre no vale verde quando as galáxias estão começando a se extinguir.

"O buraco negro parece ser desencadeado assim que a formação de estrelas desacelera, "Faber disse." Isso foi uma revelação, porque explica por que as massas dos buracos negros em galáxias que formam estrelas seguem uma lei de escala, enquanto buracos negros em galáxias extintas seguem outra lei de escala. Isso faz sentido se a massa do buraco negro crescer rapidamente no vale verde. "

Faber e seus colaboradores discutem essas questões há muitos anos. Desde 2010, Faber co-liderou um importante programa de pesquisa de galáxias do Telescópio Espacial Hubble (CANDELS, a Pesquisa de Legado Extragaláctico Profundo do Conjunto Cósmico de Infravermelho Próximo), que produziram os dados utilizados neste estudo. Ao analisar os dados do CANDELS, ela trabalhou em estreita colaboração com uma equipe liderada por Joel Primack, Professor emérito de física da UCSC, que desenvolveu a simulação cosmológica Bolshoi da evolução dos halos de matéria escura em que as galáxias se formam. Esses halos fornecem a estrutura sobre a qual a teoria constrói a fase inicial de formação de estrelas da evolução da galáxia antes de se extinguir.

As ideias centrais do artigo surgiram de análises dos dados do CANDELS e impressionaram Faber pela primeira vez há cerca de quatro anos. "De repente saltou sobre mim, e eu percebi que se colocássemos todas essas coisas juntas - se as galáxias tivessem uma trajetória simples em raio versus massa, e se a energia do buraco negro precisa superar a energia de ligação do halo, ela pode explicar todas essas fronteiras inclinadas nos diagramas estruturais das galáxias, " ela disse.

No momento, Faber fazia viagens frequentes para a China, onde ela esteve envolvida em colaborações de pesquisa e outras atividades. Ela era uma professora visitante na Universidade Normal de Xangai, onde conheceu o primeiro autor Zhu Chen. Chen veio para a UC Santa Cruz em 2017 como pesquisador visitante e começou a trabalhar com Faber para desenvolver essas ideias sobre o apagamento de galáxias.

"Ela é matematicamente muito boa, melhor que eu, e ela fez todos os cálculos para este artigo, "Faber disse.

Faber também deu crédito a seu colaborador de longa data David Koo, Professor emérito de astronomia e astrofísica da UCSC, para primeiro focar a atenção nas densidades centrais das galáxias como uma chave para o crescimento dos buracos negros centrais.

Entre os quebra-cabeças explicados por este novo modelo está uma diferença notável entre a nossa galáxia, a Via Láctea, e sua vizinha muito semelhante, Andrômeda. "A Via Láctea e Andrômeda têm quase a mesma massa estelar, mas o buraco negro de Andrômeda é quase 50 vezes maior que o da Via Láctea, "Faber disse." A ideia de que os buracos negros crescem muito no vale verde ajuda muito a explicar esse mistério. A Via Láctea está entrando no vale verde e seu buraco negro ainda é pequeno, enquanto Andrômeda está saindo, então seu buraco negro ficou muito maior, e também é mais apagado do que a Via Láctea. "