Knæk et mysterium af massive sorte huller og kvasarer med supercomputersimuleringer

I centrum af galakser, som vores egen Mælkevej, ligger massive sorte huller omgivet af spindende gas. Nogle skinner klart, med en kontinuerlig tilførsel af brændstof, mens andre går i dvale i millioner af år, kun for at vågne op igen med en serendipital tilstrømning af gas. Det forbliver stort set et mysterium, hvordan gas strømmer hen over universet for at føde disse massive sorte huller.

UConn assisterende professor i fysik Daniel Anglés-Alcázar, hovedforfatter på et papir offentliggjort i dag i The Astrophysical Journal , behandler nogle af spørgsmålene omkring disse massive og gådefulde træk ved universet ved at bruge nye, kraftige simuleringer.

"Supermassive sorte huller spiller en nøglerolle i galakseudviklingen, og vi forsøger at forstå, hvordan de vokser i galaksernes centre, " siger Anglés-Alcázar. "Dette er meget vigtigt, ikke kun fordi sorte huller er meget interessante objekter i sig selv, som kilder til gravitationsbølger og alle mulige interessante ting, men også fordi vi skal forstå, hvad de centrale sorte huller gør, hvis vi vil forstå, hvordan galakser udvikler sig."

Anglés-Alcázar, som også er Associate Research Scientist ved Flatiron Institute Center for Computational Astrophysics, siger, at en udfordring med at besvare disse spørgsmål har været at skabe modeller, der er stærke nok til at tage højde for de mange kræfter og faktorer, der spiller ind i processen. Tidligere værker har set på enten meget store skalaer eller de allermindste skalaer, "men det har været en udfordring at studere hele rækken af ​​skalaer, der er forbundet samtidigt."

Galakse dannelse, Anglés-Alcázar siger, starter med en glorie af mørkt stof, der dominerer massen og gravitationspotentialet i området og begynder at trække gas ind fra omgivelserne. Stjerner dannes fra den tætte gas, men noget af det skal nå galaksens centrum for at føde det sorte hul. Hvordan kommer al den gas dertil? For nogle sorte huller, dette involverer enorme mængder gas, svarende til ti gange massen af ​​solen eller mere, der blev slugt på bare et år, siger Anglés-Alcázar.

"Når supermassive sorte huller vokser meget hurtigt, vi omtaler dem som kvasarer, " siger han. "De kan have en masse langt op i en milliard gange solens masse og kan overstråle alt andet i galaksen. Hvordan kvasarer ser ud afhænger af, hvor meget gas de tilfører pr. tidsenhed. Hvordan formår vi at få så meget gas ned til centrum af galaksen og tæt nok på, at det sorte hul kan gribe den og vokse derfra?"

De nye simuleringer giver nøgleindsigt i kvasarernes natur, viser, at stærke gravitationskræfter fra stjerner kan vride og destabilisere gassen på tværs af skalaer, og drive tilstrækkelig gastilstrømning til at drive en lysende kvasar i epoken med top galakseaktivitet.

Ved at visualisere denne række af begivenheder, det er let at se kompleksiteten i at modellere dem, og Anglés-Alcázar siger, at det er nødvendigt at redegøre for de utallige komponenter, der påvirker sorte huls udvikling.

"Vores simuleringer inkorporerer mange af de vigtigste fysiske processer, for eksempel, gassens hydrodynamik og hvordan den udvikler sig under påvirkning af trykkræfter, tyngdekraft, og feedback fra massive stjerner. Kraftige begivenheder som supernovaer injicerer en masse energi i det omgivende medium, og dette påvirker hvordan galaksen udvikler sig, så vi er nødt til at inkorporere alle disse detaljer og fysiske processer for at fange et nøjagtigt billede."

Bygger på tidligere arbejde fra FIRE ("Feedback In Realistic Environments")-projektet, Anglés-Alcázar forklarer den nye teknik, der er skitseret i papiret, der i høj grad øger modelopløsningen og gør det muligt at følge gassen, mens den strømmer hen over galaksen med mere end tusind gange bedre opløsning end tidligere muligt,

"Andre modeller kan fortælle dig en masse detaljer om, hvad der sker meget tæt på det sorte hul, men de indeholder ikke information om, hvad resten af ​​galaksen laver, eller endnu mindre, hvad miljøet omkring galaksen laver. Det viser sig, det er meget vigtigt at forbinde alle disse processer på samme tid, det er her, denne nye undersøgelse kommer ind."

Computerkraften er tilsvarende massiv, Anglés-Alcázar siger, med hundredvis af centrale behandlingsenheder (CPU'er), der kører parallelt, som nemt kunne have taget varigheden af ​​millioner af CPU-timer.

"Det er første gang, vi har været i stand til at skabe en simulering, der kan fange hele spektret af skalaer i en enkelt model, og hvor vi kan se, hvordan gas strømmer fra meget store skalaer helt ned til centrum af massiv galakse, som vi fokuserer på."

Til fremtidige undersøgelser af store statistiske populationer af galakser og massive sorte huller, vi skal forstå det fulde billede og de dominerende fysiske mekanismer for så mange forskellige tilstande som muligt, siger Anglés-Alcázar.

"Det er noget, vi bestemt er begejstrede for. Dette er kun begyndelsen på at udforske alle disse forskellige processer, der forklarer, hvordan sorte huller kan dannes og vokse under forskellige regimer."