Раскрытие тайны массивных черных дыр и квазаров с помощью суперкомпьютерного моделирования

Эдди Гонсалес-младший — MessageToEagle.com — В центре галактик, как и наш Млечный Путь, находятся массивные черные дыры, окруженные вращающимся газом. Некоторые ярко светят, имея постоянный запас топлива, в то время как другие бездействуют на миллионы лет только для того, чтобы проснуться с неожиданным притоком газа.

Остается загадкой, как газ течет по Вселенной, питая эти массивные черные дыры.

Распределение газа по чешуе, при этом плотность газа увеличивается от фиолетового до желтого. На верхней левой панели показана большая область, содержащая десятки галактик (6 миллионов световых лет в поперечнике). На последующих панелях постепенно увеличиваются ядерные области самой массивной галактики и окрестности центральной сверхмассивной черной дыры. Сгустки газа и нити падают с внутреннего края центральной полости, иногда питая черную дыру. Предоставлено: Англес-Алькасар и др. 2021, ApJ, 917, 53

Доцент кафедры физики Калифорнийского университета Даниэль Англес-Алькасар, ведущий автор статьи, опубликованной сегодня в Астрофизический журнал, отвечает на некоторые вопросы, связанные с этими массивными и загадочными особенностями Вселенной, с помощью новых мощных симуляторов.

«Сверхмассивные черные дыры играют ключевую роль в эволюции галактик, и мы пытаемся понять, как они растут в центрах галактик», — говорит Англес-Алькасар. «Это очень важно не только потому, что черные дыры сами по себе очень интересные объекты, как источники гравитационных волн и всевозможных интересных вещей, но и потому, что нам нужно понимать, что делают центральные черные дыры, если мы хотим понять, как галактики эволюционируют ».

Англес-Алькасар, который также является младшим научным сотрудником Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон, говорит, что для ответа на эти вопросы необходимо создать модели, достаточно мощные, чтобы учесть многочисленные силы и факторы, которые играют в этом процессе. В предыдущих работах рассматривались либо очень большие масштабы, либо самые маленькие шкалы, «но было нелегко изучить весь диапазон одновременно соединенных шкал».

Формирование галактики, как говорит Англес-Алькасар, начинается с ореола темной материи, которая доминирует над массой и гравитационным потенциалом в этой области, и начинает притягивать газ из своего окружения. Звезды образуются из плотного газа, но некоторые из них должны достичь центра галактики, чтобы накормить черную дыру. Как весь этот газ попадает туда? Для некоторых черных дыр это связано с огромным количеством газа, в десять раз превышающим массу Солнца или более, которое было проглочено всего за один год, говорит Англес-Алькасар.

«Когда сверхмассивные черные дыры растут очень быстро, мы называем их квазарами», — говорит он. «Они могут иметь массу, в миллиард раз превышающую массу Солнца, и могут затмить все остальное в галактике. Внешний вид квазаров зависит от того, сколько газа они добавляют в единицу времени. Как нам удается доставить столько газа к центру галактики и достаточно близко, чтобы черная дыра могла захватить его и вырасти оттуда? »

Новое моделирование дает ключевое понимание природы квазаров, показывая, что сильные гравитационные силы звезд могут искривлять и дестабилизировать газ в разных масштабах, а также вызывать приток газа, достаточный для питания светящегося квазара в эпоху пика активности галактик.

Визуализируя эту серию событий, легко увидеть сложность их моделирования, и Англес-Алькасар говорит, что необходимо учитывать множество компонентов, влияющих на эволюцию черной дыры.

«Наше моделирование включает многие ключевые физические процессы, например, гидродинамику газа и то, как он развивается под действием сил давления, гравитации и обратной связи от массивных звезд. Мощные события, такие как сверхновые, выделяют много энергии в окружающую среду, и это влияет на развитие галактики, поэтому нам необходимо включить все эти детали и физические процессы, чтобы получить точную картину ».

Основываясь на предыдущей работе проекта FIRE («Обратная связь в реалистичной среде»), Англес-Алькасар объясняет новую технику, изложенную в документе, которая значительно увеличивает разрешение модели и позволяет проследить за газом, движущимся по галактике, с более чем тысячей в разы лучшее разрешение, чем было возможно ранее,

«Другие модели могут рассказать вам много деталей о том, что происходит очень близко к черной дыре, но они не содержат информации о том, что делает остальная часть галактики, или, тем более, о том, что делает окружающая среда вокруг галактики. Оказывается, очень важно связать все эти процессы одновременно, и здесь на помощь приходит новое исследование ».

По словам Англеса-Алькасара, вычислительная мощность столь же огромна, поскольку сотни центральных процессоров (ЦП) работают параллельно, что легко могло бы занять несколько миллионов часов ЦП.

«Это первый раз, когда мы смогли создать симуляцию, которая может охватить весь диапазон масштабов в одной модели и где мы можем наблюдать, как газ течет от очень больших масштабов до самого центра массивная галактика, на которой мы сосредоточены ».

«Для будущих исследований больших статистических популяций галактик и массивных черных дыр нам необходимо понять полную картину и основные физические механизмы для как можно большего количества различных условий», — говорит Англес-Алькасар.

«Это то, что нам определенно нравится. Это только начало изучения всех этих различных процессов, которые объясняют, как черные дыры могут образовываться и расти в разных режимах ».