Svela il mistero di enormi buchi neri e quasar con una simulazione al supercomputer

Al centro delle galassie, come la nostra Via Lattea, ci sono enormi buchi neri circondati da gas in rotazione. Alcuni brillano brillantemente, con una fornitura costante di carburante, mentre altri rimangono inattivi per milioni di anni, solo per svegliarsi di nuovo con uno zampillo di gas. Rimane in gran parte un mistero come il gas scorra attraverso l’universo per alimentare questi enormi buchi neri.

Il Professore Associato di Fisica all’UConn Daniel Anglés-Alcázar, autore principale di un documento di ricerca pubblicato oggi in Giornale Astrofisico, affronta alcune delle domande che circondano queste enormi e misteriose caratteristiche dell’universo utilizzando nuove simulazioni ad alta energia.

I buchi neri supermassicci giocano un ruolo importante in Evoluzione della galassia E stiamo cercando di capire come crescono nei centri delle galassie”, afferma Inglis-Alcazar. Questo è molto importante non solo perché i buchi neri sono cose interessanti di per sé, come fonti di onde gravitazionali e ogni genere di cose interessanti, ma anche perché dobbiamo capire cosa fanno i buchi neri centrali se vogliamo capire come si evolvono le galassie. “

Anglés-Alcázar, anche lui ricercatore associato presso il Centro per l’astrofisica computazionale del Flatiron Institute, afferma che la sfida nel rispondere a queste domande è creare modelli sufficientemente robusti da tenere conto delle molte forze e fattori in gioco nel processo. Il lavoro precedente ha esaminato scale molto grandi o scale molto piccole, “ma è stato difficile studiare l’intera gamma di scale collegate contemporaneamente”.

Ángeles Alcazar afferma che la formazione delle galassie inizia con un alone di materia oscura che domina la massa e il potenziale gravitazionale della regione e inizia a prelevare gas dall’ambiente circostante. Le stelle sono fatte di gas denso, ma alcune di esse devono raggiungere il centro della galassia per alimentare il buco nero. Come ci arriva tutto questo gas? Per alcuni buchi neri, ciò comporta enormi quantità di gas, dieci volte la massa del Sole o più che vengono inghiottite in un solo anno, dice Ingles-Alcazar.

“quando buchi neri supermassicci Dice: “Crescono molto velocemente e li chiamiamo quasar. Possono avere una massa fino a un miliardo di volte la massa del Sole e possono superare qualsiasi altra cosa nella galassia. La forma dei quasar dipende dalla quantità di gas che aggiungi per unità di tempo. Come riusciamo a spostare così tanto gas al centro della galassia e abbastanza vicino che il buco nero possa raccogliersi e crescere da lì?”

Nuove simulazioni forniscono informazioni chiave sulla natura dei quasar, mostrando che le forti forze gravitazionali delle stelle possono distorcere e destabilizzare il gas attraverso la bilancia, e portare a un flusso di gas sufficiente per alimentare un quasar luminoso in un’era di massima attività galattica.

Nel visualizzare questa catena di eventi, è facile vedere la complessità della sua modellazione e Anglés-Alcázar afferma che è necessario tenere conto della miriade di componenti che influenzano l’evoluzione di un buco nero.

“Le nostre simulazioni includono molti processi fisici chiave, ad esempio l’idrodinamica del gas e come si evolve sotto l’influenza della pressione e delle forze gravitazionali e le reazioni di stelle massicce. Eventi potenti come le supernovae iniettano molta energia nel mezzo oceanico e questo influenza il modo in cui si sviluppa la galassia, quindi abbiamo bisogno di combinare tutti questi dettagli e processi fisici per scattare una foto accurata”.

Basandosi sul lavoro precedente del progetto FIRE (“Feedback in Realistic Environments”), Anglés-Alcázar spiega la nuova tecnica descritta nel documento che aumenta notevolmente la precisione del modello e consente di tracciare il gas mentre scorre attraverso la galassia con più di mille volte migliore precisione di quanto fosse possibile in Precedente,

“Altri modelli possono dirti molti dettagli su ciò che sta accadendo vicino al buco nero, ma non hanno informazioni su ciò che sta facendo il resto della galassia, o anche meno di ciò che sta facendo l’ambiente intorno alla galassia. fuori che è molto importante collegare tutti questi processi allo stesso tempo, è qui che entra in gioco questo nuovo studio.”

il potenza di calcolo È altrettanto enorme, afferma Anglés-Alcázar, con centinaia di CPU in esecuzione in parallelo che avrebbero potuto facilmente richiedere milioni di ore di CPU.

“Questa è la prima volta che siamo stati in grado di creare una simulazione in grado di catturare l’intera gamma di scale in un singolo modello e in cui possiamo osservare come il gas fluisce da scale molto grandi fino al centro di una galassia massiccia che su cui ci stiamo concentrando”.

Per studi futuri di grandi gruppi statistici di galassie e enormi buchi neriDobbiamo comprendere l’intero quadro e i meccanismi fisici prevalenti per quante più condizioni possibili, afferma Anglés-Alcázar.

“Questo è qualcosa di cui siamo decisamente entusiasti. Questo è solo l’inizio dell’esplorazione di tutti questi diversi processi che spiegano come buchi neri Può formarsi e crescere sotto sistemi diversi”.