Percez le mystère des trous noirs et des quasars massifs avec une simulation de superordinateur

Répartition du gaz sur l’échelle, la densité du gaz passant du violet au jaune. Le panneau supérieur gauche montre une vaste région contenant des dizaines de galaxies (6 millions d’années-lumière de diamètre). Les panneaux suivants zooment progressivement sur la région nucléaire depuis la galaxie la plus massive jusqu’à proximité du trou noir supermassif central. Des blocs et des filaments de gaz tombent du bord intérieur de la cavité centrale qui alimente occasionnellement le trou noir. Crédit : Anglés-Alcazar et al. 2021, a B c, 917, 53

Au centre des galaxies, comme notre Voie lactée, se trouvent d’énormes trous noirs entourés de gaz en rotation. Certains brillent de mille feux, avec un approvisionnement constant en carburant, tandis que d’autres restent en sommeil pendant des millions d’années, pour se réveiller à nouveau avec un jaillissement de gaz. La manière dont le gaz circule dans l’univers pour alimenter ces énormes trous noirs reste un mystère.

Professeur agrégé de physique à l’UConn Daniel Anglés-Alcázar, auteur principal d’un article de recherche publié aujourd’hui dans Journal d’astrophysique, aborde certaines des questions entourant ces caractéristiques massives et mystérieuses de l’univers à l’aide de nouvelles simulations à haute énergie.

Les trous noirs supermassifs jouent un rôle majeur dans Évolution de la galaxie Et nous essayons de comprendre comment ils se développent au centre des galaxies », explique Inglis-Alcazar. C’est très important non seulement parce que les trous noirs sont des choses intéressantes en soi, en tant que sources d’ondes gravitationnelles et de toutes sortes de choses intéressantes, mais aussi parce que nous devons comprendre ce que font les trous noirs centraux si nous voulons comprendre comment les galaxies évoluent. « 

Anglés-Alcázar, qui est également chercheur associé au Center for Computational Astrophysics du Flatiron Institute, explique que le défi de répondre à ces questions est de créer des modèles suffisamment robustes pour tenir compte des nombreuses forces et facteurs en jeu dans le processus. Les travaux antérieurs portaient soit sur de très grandes échelles, soit sur de très petites échelles, « mais il a été difficile d’étudier simultanément toute la gamme des échelles connectées ».

Ángeles Alcazar dit que la formation des galaxies commence par un halo de matière noire qui domine la masse et le potentiel gravitationnel de la région et commence à tirer du gaz de son environnement. Les étoiles sont constituées de gaz dense, mais certaines d’entre elles doivent atteindre le centre de la galaxie pour alimenter le trou noir. Comment tout ce gaz arrive-t-il là ? Pour certains trous noirs, cela inclut des quantités massives de gaz, dix fois la masse du Soleil ou plus, qui sont englouties en seulement un an, explique Ingles-Alcazar.

« lorsque trous noirs supermassifs Il dit: « Ils poussent très vite, et nous les appelons quasars. Ils peuvent avoir une masse jusqu’à un milliard de fois la masse du Soleil et peuvent dépasser tout ce qui se trouve dans la galaxie. La forme des quasars dépend de la quantité de gaz que vous ajoutez par unité de temps. Déplacez beaucoup de gaz au centre de la galaxie et assez près pour qu’un trou noir puisse le capturer et se développer à partir de là ?

De nouvelles simulations fournissent des informations clés sur la nature des quasars, montrant que les fortes forces gravitationnelles des étoiles peuvent tordre et déstabiliser le gaz à travers les échelles, et conduire à un débit de gaz suffisant pour alimenter un quasar lumineux à une époque de pic d’activité galactique.

En visualisant cette chaîne d’événements, il est facile de voir les subtilités de sa modélisation, et Anglés-Alcázar dit qu’il est nécessaire de tenir compte de la myriade de composants qui influencent l’évolution d’un trou noir.

« Nos simulations incluent de nombreux processus physiques clés, par exemple l’hydrodynamique du gaz et son évolution sous l’influence de la pression et des forces gravitationnelles et des réactions des étoiles massives. Des événements puissants tels que les supernovae injectent beaucoup d’énergie dans le milieu océanique et cela affecte la façon dont la galaxie se développe. , nous devons donc combiner tous ces détails et processus physiques pour prendre une image précise.

S’appuyant sur les travaux antérieurs du projet FIRE (« Feedback in Realistic Environments »), Anglés-Alcázar explique la nouvelle technique décrite dans l’article qui augmente considérablement la précision du modèle et permet de suivre le gaz lorsqu’il traverse la galaxie avec plus de mille fois mieux que ce qui était possible dans Précédent ,

« D’autres modèles peuvent vous donner beaucoup de détails sur ce qui se passe près du trou noir, mais ils n’ont pas d’informations sur ce que fait le reste de la galaxie, ou même moins que ce que fait l’environnement autour de la galaxie. Il s’avère qu’il est très important de connecter tous ces processus en même temps, c’est là qu’intervient cette nouvelle étude. »

les Puissance de calcul C’est tout aussi énorme, dit Anglés-Alcázar, avec des centaines de processeurs fonctionnant en parallèle qui auraient facilement pu prendre des millions d’heures de processeur.

« C’est la première fois que nous sommes en mesure de créer une simulation capable de capturer toute la gamme d’échelles dans un seul modèle et où nous pouvons observer comment le gaz s’écoule de très grandes échelles jusqu’au centre d’une galaxie massive qui nous nous concentrons sur. »

Pour les études futures de grands groupes statistiques de galaxies Et énormes trous noirsNous devons comprendre l’ensemble du tableau et les mécanismes physiques dominants pour autant de conditions différentes que possible, explique Anglés-Alcázar.

« C’est quelque chose qui nous passionne vraiment. Ce n’est que le début de l’exploration de tous ces différents processus qui expliquent comment trous noirs Il peut se former et se développer sous différents systèmes.