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Desvendando o mistério de enormes buracos negros e quasares com simulações de supercomputador
A formação da galáxia, diz Anglés-Alcázar, começa com um halo de matéria escura que domina a massa e o potencial gravitacional na área e começa a puxar gás de seus arredores.
Por Elaina Hancock - 18/08/2021

Distribuição de gás em escalas, com a densidade do gás aumentando de roxo para amarelo. O painel superior esquerdo mostra uma grande região contendo dezenas de galáxias (6 milhões de anos-luz de diâmetro). Os painéis subsequentes ampliam progressivamente a região nuclear da galáxia mais massiva e descem até a vizinhança do buraco negro supermassivo central. Aglomerados e filamentos de gás caem da borda interna da cavidade central, ocasionalmente alimentando o buraco negro. Crédito: Anglés-Alcázar et al. 2021, ApJ , 917, 53

No centro das galáxias, como nossa Via Láctea, existem enormes buracos negros cercados por gás em rotação. Alguns brilham intensamente, com um suprimento contínuo de combustível, enquanto outros ficam adormecidos por milhões de anos, apenas para despertar novamente com um influxo fortuito de gás. Permanece um grande mistério como o gás flui pelo universo para alimentar esses enormes buracos negros.

O professor assistente de física da UConn Daniel Anglés-Alcázar, autor principal de um artigo publicado hoje no The Astrophysical Journal , aborda algumas das questões que cercam essas características massivas e enigmáticas do universo usando novas simulações de alta potência.

“Os buracos negros supermassivos desempenham um papel fundamental na evolução das galáxias e estamos tentando entender como eles crescem nos centros das galáxias”, diz Anglés-Alcázar. "Isso é muito importante não apenas porque os buracos negros são objetos muito interessantes por si só, como fontes de ondas gravitacionais e todos os tipos de coisas interessantes, mas também porque precisamos entender o que os buracos negros centrais estão fazendo se quisermos entender como as galáxias evoluem. "

Anglés-Alcázar, que também é Pesquisador Cientista Associado do Flatiron Institute Center for Computational Astrophysics, diz que o desafio de responder a essas perguntas tem sido a criação de modelos poderosos o suficiente para explicar as inúmeras forças e fatores que atuam no processo. Trabalhos anteriores analisaram escalas muito grandes ou muito pequenas, "mas tem sido um desafio estudar toda a gama de escalas conectadas simultaneamente."

A formação da galáxia, diz Anglés-Alcázar, começa com um halo de matéria escura que domina a massa e o potencial gravitacional na área e começa a puxar gás de seus arredores. Estrelas se formam a partir do gás denso, mas parte dele deve atingir o centro da galáxia para alimentar o buraco negro. Como todo esse gás chega lá? Para alguns buracos negros, isso envolve grandes quantidades de gás, o equivalente a dez vezes a massa do sol ou mais engolido em apenas um ano, diz Anglés-Alcázar.

“Quando os buracos negros supermassivos estão crescendo muito rápido, nós os chamamos de quasares”, diz ele. “Eles podem ter uma massa bem superior a um bilhão de vezes a massa do Sol e ofuscar tudo na galáxia. A aparência dos quasares depende de quanto gás eles adicionam por unidade de tempo. para o centro da galáxia e perto o suficiente para que o buraco negro possa agarrá-lo e crescer a partir daí? "
 
As novas simulações fornecem informações importantes sobre a natureza dos quasares, mostrando que fortes forças gravitacionais das estrelas podem torcer e desestabilizar o gás através das escalas e conduzir o influxo de gás suficiente para alimentar um quasar luminoso na época de pico de atividade da galáxia.

Ao visualizar essa série de eventos, é fácil ver a complexidade de modelá-los, e Anglés-Alcázar diz que é necessário levar em conta a miríade de componentes que influenciam a evolução do buraco negro.

"Nossas simulações incorporam muitos dos principais processos físicos, por exemplo, a hidrodinâmica do gás e como ele evolui sob a influência das forças de pressão, gravidade e feedback de estrelas massivas. Eventos poderosos, como supernovas injetam muita energia nos arredores meio e isso influencia como a galáxia evolui, por isso precisamos incorporar todos esses detalhes e processos físicos para capturar uma imagem precisa. "

Com base no trabalho anterior do projeto FIRE ("Feedback In Realistic Environments"), Anglés-Alcázar explica a nova técnica descrita no artigo que aumenta muito a resolução do modelo e permite seguir o gás que flui através da galáxia com mais de mil vezes melhor resolução do que anteriormente possível,

“Outros modelos podem dar muitos detalhes sobre o que está acontecendo muito perto do buraco negro, mas eles não contêm informações sobre o que o resto da galáxia está fazendo, ou menos ainda, o que o ambiente ao redor da galáxia está fazendo. Acontece que é muito importante conectar todos esses processos ao mesmo tempo, é aqui que entra este novo estudo. "

O poder de computação é igualmente massivo, afirma Anglés-Alcázar, com centenas de unidades de processamento central (CPUs) funcionando em paralelo que poderiam facilmente levar a duração de milhões de horas de CPU.

"Esta é a primeira vez que conseguimos criar uma simulação que pode capturar toda a gama de escalas em um único modelo e onde podemos observar como o gás está fluindo de escalas muito grandes até o centro do galáxia massiva em que estamos nos concentrando. "

Para estudos futuros de grandes populações estatísticas de galáxias e buracos negros massivos , precisamos entender o quadro completo e os mecanismos físicos dominantes para o maior número possível de condições diferentes, diz Anglés-Alcázar.

"Isso é algo que definitivamente nos entusiasma. Este é apenas o começo da exploração de todos esses diferentes processos que explicam como os buracos negros podem se formar e crescer sob diferentes regimes."

 

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