¿Por qué creemos que los agujeros negros supermasivos en los centros de dos galaxias fusionadas se fusionarían?

Cuando escucho podcasts o veo videos de youtube de astrónomos que discuten las fusiones de galaxias, a menudo escucho hablar sobre cómo los agujeros negros súper masivos en sus centros se fusionarán durante o poco después de la colisión. ¿Por qué creemos que este es el caso?

A priori, esperaría que los SMBH se comporten igual que todos los demás objetos galácticos. Pueden ser extraordinariamente masivos, pero físicamente siguen siendo minúsculos en comparación con el vasto espacio vacío entre las estrellas en una galaxia. Las colisiones entre objetos (sin contar las gigantescas nubes de gas y polvo) serían extraordinariamente raras, entonces, ¿por qué hacemos una excepción para los SMBH?

Pude ver un caso para ellos fusionándose en el caso (¿raro?) Donde las galaxias anfitrionas se golpean entre sí de tal manera que el centro de masa mutuo coincide con sus centros de masa individuales. En ese caso, los SMBH podrían estar lo suficientemente cerca como para orbitar unos sobre otros, perdiendo energía a las ondas gravitacionales y finalmente fusionándose. Sin embargo, creo que este escenario es bastante raro. Me parece más plausible que una fusión de galaxias promedio deje a las SMBH en órbita independiente en el centro de la galaxia combinada, demasiado separadas para perder energía cinética significativa a las ondas gravitacionales.

Los astrónomos que hablan de fusiones galácticas saben mucho más que yo sobre el tema, por lo que supongo que hay fallas en mis suposiciones o en mi comprensión de la física. ¿Qué me estoy perdiendo?

Los SMBH residen en el fondo de los potenciales galácticos, que están dominados por los halos de materia oscura de las galaxias. Pero aunque la materia oscura domina la gravedad, las colisiones entre partículas de gas y polvo en el medio interestelar provocan una fricción suficiente que desacelera el componente bariónico de las galaxias. Esto hará que los otros componentes de las galaxias también se desaceleren, a través de la atracción gravitacional.

Además, a pesar de que la materia oscura (y, en la práctica, las estrellas y los agujeros negros, ya que son tan pequeños) no tienen colisión, hay varias formas de "relajarse", es decir, evolucionar hacia un equilibrio. En el contexto de la fusión de galaxias, el mecanismo más importante (creo) es la "relajación violenta", donde el cambio rápido del potencial gravitacional hace que las partículas se relajen, por ejemplo, las partículas más masivas tienden a transferir más energía a sus vecinos más ligeros y así convertirse más estrechamente unido, hundiéndose hacia el centro del potencial gravitacional.

Aunque los SMBH son ..., bueno, supermasivos, el potencial (generalmente) estará dominado por materia oscura, gas y estrellas, por lo que el nuevo potencial gravitacional también hará que los SMBH busquen hacia el fondo de la misma manera, y finalmente se fusionen.

La respuesta corta es " fricción dinámica ": los objetos masivos que se mueven a través de un campo de objetos menos masivos crean una "estela" que los empuja hacia atrás y conduce a la pérdida de energía. Debido a que los SMBH son mucho más masivos que las estrellas, las moléculas y los átomos del gas y las partículas de materia oscura (sean lo que sean), son especialmente propensos a esto. El efecto neto es que las SMBH pierdan energía y se asienten en el centro del sistema (combinado).

Una vez que forman un binario, también pueden perder energía a través de encuentros de 3 cuerpos con estrellas cercanas al centro de galaxias (combinado): una estrella interactúa con el binario SMBH y gana energía (generalmente expulsada del núcleo de la galaxia), mientras que el binario pierde energía. encogiéndose Las galaxias elípticas masivas a menudo tienen "núcleos" estelares de baja densidad, que generalmente se supone que son las reliquias de una o más rondas de fusiones binarias SMBH. Si hay mucho gas en el centro de la galaxia, los binarios también pueden reducirse mediante interacciones gravitacionales con el gas.