In het centrum van sterrenstelsels, zoals onze eigen Melkweg, liggen massieve zwarte gaten omgeven door ronddraaiend gas. Sommige schijnen helder, met een continue toevoer van brandstof, terwijl anderen miljoenen jaren inactief zijn, alleen om weer wakker te worden met een serendipitous instroom van gas. Het blijft grotendeels een mysterie hoe gas door het universum stroomt om deze enorme zwarte gaten te voeden.

UConn universitair docent natuurkunde Daniel Anglés-Alcázar, hoofdauteur van een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Het astrofysische tijdschrift , gaat in op enkele van de vragen rond deze enorme en raadselachtige kenmerken van het universum door gebruik te maken van nieuwe, krachtige simulaties.

"Superzware zwarte gaten spelen een sleutelrol in de evolutie van sterrenstelsels en we proberen te begrijpen hoe ze groeien in de centra van sterrenstelsels, ", zegt Anglés-Alcázar. "Dit is erg belangrijk, niet alleen omdat zwarte gaten op zichzelf zeer interessante objecten zijn, als bronnen van zwaartekrachtsgolven en allerlei interessante dingen, maar ook omdat we moeten begrijpen wat de centrale zwarte gaten doen als we willen begrijpen hoe sterrenstelsels evolueren."

Anglés-Alcázar, die ook een Associate Research Scientist is bij het Flatiron Institute Center for Computational Astrophysics, zegt dat een uitdaging bij het beantwoorden van deze vragen het creëren van modellen is die krachtig genoeg zijn om rekening te houden met de talrijke krachten en factoren die in het proces spelen. Eerdere werken hebben gekeken naar zeer grote schalen of de allerkleinste schalen, "maar het was een uitdaging om het volledige scala van gelijktijdig verbonden schalen te bestuderen."

Melkwegvorming, Anglés-Alcázar zegt:begint met een halo van donkere materie die de massa en het zwaartekrachtpotentieel in het gebied domineert en begint gas uit de omgeving aan te trekken. Sterren ontstaan ​​uit het dichte gas, maar een deel ervan moet het centrum van de melkweg bereiken om het zwarte gat te voeden. Hoe komt al dat gas daar? Voor sommige zwarte gaten hierbij gaat het om enorme hoeveelheden gas, het equivalent van tien keer de massa van de zon of meer ingeslikt in slechts één jaar, zegt Anglés-Alcázar.

"Als superzware zwarte gaten heel snel groeien, we noemen ze quasars, " zegt hij. "Ze kunnen een massa hebben tot ver in een miljard keer de massa van de zon en kunnen al het andere in de melkweg overtreffen. Hoe quasars eruitzien, hangt af van hoeveel gas ze per tijdseenheid toevoegen. Hoe slagen we erin om zoveel gas naar het centrum van de melkweg te krijgen en dichtbij genoeg dat het zwarte gat het kan pakken en van daaruit kan groeien?"

De nieuwe simulaties bieden belangrijke inzichten in de aard van quasars, waaruit blijkt dat sterke zwaartekrachten van sterren het gas over schalen kunnen draaien en destabiliseren, en zorgen voor voldoende gastoevoer om een ​​lichtgevende quasar van stroom te voorzien in het tijdperk van de piekactiviteit van sterrenstelsels.

Bij het visualiseren van deze reeks gebeurtenissen, het is gemakkelijk om de complexiteit van het modelleren ervan te zien, en Anglés-Alcázar zegt dat het nodig is om rekening te houden met de talloze componenten die de evolutie van zwarte gaten beïnvloeden.

"Onze simulaties bevatten veel van de belangrijkste fysieke processen, bijvoorbeeld, de hydrodynamica van gas en hoe het evolueert onder invloed van drukkrachten, zwaartekracht, en feedback van massieve sterren. Krachtige gebeurtenissen zoals supernova's injecteren veel energie in het omringende medium en dit beïnvloedt hoe de melkweg evolueert, dus we moeten al deze details en fysieke processen opnemen om een ​​nauwkeurig beeld te krijgen."

Voortbouwend op eerder werk van het FIRE-project ("Feedback In Realistische Omgevingen"), Anglés-Alcázar legt de nieuwe techniek uit die in het artikel wordt beschreven en die de resolutie van het model aanzienlijk verhoogt en het mogelijk maakt om het gas te volgen terwijl het door de melkweg stroomt met een meer dan duizend keer betere resolutie dan voorheen mogelijk was,

"Andere modellen kunnen je veel details vertellen over wat er heel dicht bij het zwarte gat gebeurt, maar ze bevatten geen informatie over wat de rest van de melkweg doet, of nog minder, wat de omgeving rond de melkweg doet. Het blijkt, het is erg belangrijk om al deze processen tegelijkertijd te verbinden, dit is waar deze nieuwe studie van pas komt."

De rekenkracht is even enorm, Anglés-Alcázar zegt:met honderden parallel lopende centrale verwerkingseenheden (CPU's) die gemakkelijk miljoenen CPU-uren hadden kunnen kosten.

"Dit is de eerste keer dat we een simulatie hebben kunnen maken die het volledige scala aan schalen in een enkel model kan vastleggen en waar we kunnen zien hoe gas van zeer grote schalen helemaal naar beneden stroomt naar het centrum van de enorme melkweg waar we ons op concentreren."

Voor toekomstige studies van grote statistische populaties van sterrenstelsels en massieve zwarte gaten, we moeten het volledige plaatje en de dominante fysieke mechanismen voor zoveel mogelijk verschillende omstandigheden begrijpen, zegt Anglés-Alcázar.

"Dat is iets waar we zeker enthousiast over zijn. Dit is nog maar het begin van het verkennen van al deze verschillende processen die verklaren hoe zwarte gaten zich kunnen vormen en groeien onder verschillende regimes."