Pourquoi pensons-nous que les trous noirs super massifs au centre de deux galaxies fusionnées fusionneraient eux-mêmes?

Lorsque j'écoute des podcasts ou que je regarde des vidéos YouTube d'astronomes discutant des fusions de galaxies, j'entends souvent parler de la façon dont les trous noirs super massifs en leur centre fusionneront eux-mêmes pendant ou peu de temps après la collision. Pourquoi pensons-nous que c'est le cas?

A priori, je m'attendrais à ce que les SMBH se comportent de la même manière que tous les autres objets galactiques. Ils peuvent être extraordinairement massifs, mais physiquement, ils sont encore minuscules par rapport au vaste espace vide entre les étoiles d'une galaxie. Les collisions entre objets (sans compter les gigantesques nuages ​​de gaz et de poussière) seraient extraordinairement rares, alors pourquoi faire une exception pour les SMBH?

Je pourrais voir un cas pour eux fusionner dans le cas (rare?) Où les galaxies hôtes se heurtent de telle manière que le centre de masse mutuel coïncide avec leurs centres de masse individuels. Dans ce cas, les SMBH pourraient être suffisamment proches pour orbiter les uns sur les autres, perdant de l'énergie aux ondes gravitationnelles et éventuellement fusionnant. Je pense cependant que ce scénario est plutôt rare. Je trouve plus plausible qu'une fusion moyenne de galaxies laisse les SMBH en orbite indépendante autour du centre de la galaxie combinée, trop éloignés les uns des autres pour perdre toute énergie cinétique significative aux ondes gravitationnelles.

Les astronomes qui parlent de fusions galactiques en savent beaucoup plus que moi sur le sujet, donc je suppose qu'il y a des défauts dans mes hypothèses ou ma compréhension de la physique. Qu'est-ce que je rate?

Les SMBH résident au fond des potentiels galactiques, qui sont dominés par les halos de matière noire des galaxies. Mais bien que la matière noire domine la gravité, les collisions entre les particules de gaz et de poussière dans le milieu interstellaire provoquent suffisamment de friction pour que la composante baryonique des galaxies soit ralentie. Cela entraînera également la décélération des autres composants des galaxies, par attraction gravitationnelle.

De plus, malgré la non-collision de la matière noire (et, en pratique, des étoiles et des trous noirs), il existe plusieurs façons de se "relaxer", c'est-à-dire d'évoluer vers un équilibre. Dans le contexte de la fusion des galaxies, le mécanisme le plus important (je pense) est la "relaxation violente", où le changement rapide du potentiel gravitationnel provoque la relaxation des particules, par exemple des particules plus massives ont tendance à transférer plus d'énergie à leurs voisins plus légers et donc à devenir plus étroitement lié, s'enfonçant vers le centre du potentiel gravitationnel.

Bien que les SMBH soient ... eh bien, supermassifs, le potentiel sera (généralement) dominé par la matière noire, le gaz et les étoiles, de sorte que le nouveau potentiel gravitationnel amènera également les SMBH à chercher vers le bas de la même manière, et finalement à fusionner.

La réponse courte est " friction dynamique ": des objets massifs se déplaçant à travers un champ d'objets moins massifs créent un "sillage" qui les recule, entraînant une perte d'énergie. Parce que les SMBH sont beaucoup plus massifs que les étoiles, les molécules et les atomes du gaz et les particules de matière noire (quelles qu'elles soient), ils sont particulièrement sujets à cela. L'effet net est que les SMBH perdent de l'énergie et s'installent au centre du système (combiné).

Une fois qu'ils forment un binaire, ils peuvent également perdre de l'énergie via des rencontres à 3 corps avec des étoiles près du centre (combiné) de la galaxie: une étoile interagit avec le binaire SMBH et gagne de l'énergie (généralement éjectée du noyau de la galaxie), tandis que le binaire perd de l'énergie en rétrécissant. Les galaxies elliptiques massives ont souvent des "noyaux" stellaires de faible densité, qui sont généralement supposés être les reliques d'une ou plusieurs séries de fusions binaires SMBH. S'il y a beaucoup de gaz dans le centre de la galaxie, leur binaire peut également rétrécir via des interactions gravitationnelles avec le gaz.