Prolomení tajemství masivních černých děr a kvasarů se superpočítačovými simulacemi

Ve středu galaxií, stejně jako naše vlastní Mléčná dráha, leží obrovské černé díry obklopené rotujícím plynem. Některé jasně září s nepřetržitým přísunem paliva, zatímco jiné spí po miliony let, aby se znovu probudily s prudkým přílivem plynu. Z velké části zůstává záhadou, jak plyn proudí vesmírem, aby nakrmil tyto obrovské černé díry.

Docent fyziky UConn Daniel Anglés-Alcázar, hlavní autor článku, který byl dnes publikován v časopise The Astrophysical Journal, se pomocí nových, vysoce výkonných simulací zabývá některými otázkami obklopujícími tyto masivní a záhadné rysy vesmíru.

„Supermasivní černé díry hrají klíčovou roli v evoluci galaxií a my se snažíme pochopit, jak rostou v centrech galaxií,“ říká Anglés-Alcázar. „To je velmi důležité nejen proto, že černé díry jsou samy o sobě velmi zajímavé objekty, jako zdroje gravitačních vln a nejrůznějších zajímavých věcí, ale také proto, že musíme pochopit, co centrální černé díry dělají, pokud chceme pochopit, jak galaxie se vyvíjejí. “

Anglés-Alcázar, který je také vědeckým pracovníkem v Centru výpočetní astrofyziky v Flatiron Institute, říká, že výzvou při zodpovězení těchto otázek je vytvoření dostatečně výkonných modelů, které budou odpovídat četným silám a faktorům, které v tomto procesu hrají. Předchozí práce se zabývaly buď velmi velkými měřítky, nebo úplně nejmenšími měřítky, „ale bylo výzvou studovat celou škálu současně zapojených měřítek“.

Formace galaxie, říká Anglés-Alcázar, začíná svatozářem temné hmoty, která dominuje masovému a gravitačnímu potenciálu v této oblasti, a začíná přitahovat plyn ze svého okolí. Hvězdy se tvoří z hustého plynu, ale část z nich se musí dostat do středu galaxie, aby se živila černá díra. Jak se tam ten plyn dostane? U některých černých děr to zahrnuje obrovské množství plynu, což je desetinásobek hmotnosti Slunce nebo více pohlcených za pouhý rok, říká Anglés-Alcázar.

„Když supermasivní černé díry rostou velmi rychle, označujeme je jako kvasary,“ říká. „Mohou mít hmotnost až miliardu hmotností Slunce a mohou zastiňovat všechno ostatní v galaxii. Jak vypadají kvasary, závisí na tom, kolik plynu přidají za jednotku času. Jak se nám podaří dostat tolik plynu dolů?“ do středu galaxie a dostatečně blízko, aby ji černá díra mohla uchopit a odtud vyrůst? „

Nové simulace poskytují klíčové pohledy na povahu kvazarů, které ukazují, že silné gravitační síly z hvězd mohou kroutit a destabilizovat plyn napříč měřítky a pohánět dostatečný přísun plynu k napájení světelného kvazaru v době vrcholné galaxie.

Při vizualizaci této řady událostí je snadné vidět složitost jejich modelování a Anglés-Alcázar říká, že je nutné zohlednit nesčetné složky ovlivňující vývoj černé díry.

„Naše simulace zahrnují mnoho klíčových fyzikálních procesů, například hydrodynamiku plynu a to, jak se vyvíjí pod tlakovými silami, gravitací a zpětnou vazbou od hmotných hvězd. Silné události, jako jsou supernovy, vnášejí do okolí spoustu energie médium a to ovlivňuje vývoj galaxie, takže musíme zachytit všechny tyto detaily a fyzikální procesy, abychom zachytili přesný obraz. “

Na základě předchozí práce z projektu FIRE („Zpětná vazba v realistických prostředích“) vysvětluje Anglés-Alcázar novou techniku ​​nastíněnou v tomto článku, která výrazně zvyšuje rozlišení modelu a umožňuje sledovat plyn při jeho toku galaxií s více než tisícovkou krát lepší rozlišení než dříve,

„Jiné modely vám mohou říci spoustu podrobností o tom, co se děje velmi blízko černé díry, ale neobsahují informace o tom, co dělá zbytek galaxie, nebo ještě méně, co dělá prostředí kolem galaxie. Ukazuje se, že je velmi důležité propojit všechny tyto procesy současně, právě zde přichází tato nová studie. “

Výpočtový výkon je podobně obrovský, říká Anglés-Alcázar, přičemž stovky centrálních procesorových jednotek (CPU) běží souběžně, což by mohlo snadno trvat miliony hodin CPU.

„Je to poprvé, kdy jsme dokázali vytvořit simulaci, která dokáže zachytit celou škálu měřítek v jednom modelu, a kde můžeme sledovat, jak plyn proudí z velmi velkých měřítek až dolů do samotného středu obrovská galaxie, na kterou se zaměřujeme. “

Pro budoucí studie velkých statistických populací galaxií a masivních černých děr musíme pochopit úplný obraz a dominantní fyzikální mechanismy pro co nejvíce různých podmínek, říká Anglés-Alcázar.

„To je něco, z čeho jsme rozhodně nadšení. To je jen začátek zkoumání všech těchto různých procesů, které vysvětlují, jak se mohou černé díry tvořit a růst v různých režimech.“

Zdroj: https://phys.org/news/2021-08-mystery-massive-black-holes-quasars.html