Distribuição de gás em escalas, com a densidade do gás aumentando de roxo para amarelo. O painel superior esquerdo mostra uma grande regia£o contendo dezenas de gala¡xias (6 milhões de anos-luz de dia¢metro). Os painanãis subsequentes ampliam progressivamente a regia£o nuclear da gala¡xia mais massiva e descem atéa vizinhana§a do buraco negro supermassivo central. Aglomerados e filamentos de gás caem da borda interna da cavidade central, ocasionalmente alimentando o buraco negro. Crédito: Anglanãs-Alca¡zar et al. 2021, ApJ , 917, 53

No centro das gala¡xias, como nossa Via La¡ctea, existem enormes buracos negros cercados por gás em rotação. Alguns brilham intensamente, com um suprimento conta­nuo de combusta­vel, 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 Anglanãs-Alca¡zar, autor principal de um artigo publicado hoje no The Astrophysical Journal , aborda algumas das questões que cercam essas caracteri­sticas massivas e enigma¡ticas do universo usando novas simulações de alta potaªncia.

“Os buracos negros supermassivos desempenham um papel fundamental na evolução das gala¡xias e estamos tentando entender como eles crescem nos centros das gala¡xias”, diz Anglanãs-Alca¡zar. "Isso émuito importante não apenas porque os buracos negros são objetos muito interessantes por si são, como fontes de ondas gravitacionais e todos os tipos de coisas interessantes, mas também porque precisamos entender o que os buracos negros centrais estãofazendo se quisermos entender como as gala¡xias evoluem. "

Anglanãs-Alca¡zar, que também éPesquisador 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 inaºmeras 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 gala¡xia, diz Anglanãs-Alca¡zar, comea§a com um halo de matéria escura que domina a massa e o potencial gravitacional na área e comea§a a puxar gás de seus arredores. Estrelas se formam a partir do gás denso, mas parte dele deve atingir o centro da gala¡xia para alimentar o buraco negro. Como todo esse gás chega la¡? 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 Anglanãs-Alca¡zar.

“Quando os buracos negros supermassivos estãocrescendo muito rápido, nosos chamamos de quasares”, diz ele. “Eles podem ter uma massa bem superior a um bilha£o de vezes a massa do Sol e ofuscar tudo na gala¡xia. A aparaªncia dos quasares depende de quanto gás eles adicionam por unidade de tempo. para o centro da gala¡xia e perto o suficiente para que o buraco negro possa agarra¡-lo e crescer a partir daa­? "

As novas simulações fornecem informações importantes sobre a natureza dos quasares, mostrando que fortes forças gravitacionais das estrelas podem torcer e desestabilizar o gás atravanãs das escalas e conduzir o influxo de gás suficiente para alimentar um quasar luminoso na anãpoca de pico de atividade da gala¡xia.

Ao visualizar essa sanãrie de eventos, éfa¡cil ver a complexidade de modela¡-los, e Anglanãs-Alca¡zar diz que énecessa¡rio levar em conta a mira­ade de componentes que influenciam a evolução do buraco negro.

"Nossas simulações incorporam muitos dos principais processos fa­sicos, por exemplo, a hidrodina¢mica do gás e como ele evolui sob a influaªncia 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 gala¡xia evolui, por isso precisamos incorporar todos esses detalhes e processos fa­sicos para capturar uma imagem precisa. "

Com base no trabalho anterior do projeto FIRE ("Feedback In Realistic Environments"), Anglanãs-Alca¡zar explica a nova técnica descrita no artigo que aumenta muito a resolução do modelo e permite seguir o gás que flui atravanãs da gala¡xia com mais de mil vezes melhor resolução do que anteriormente possí­vel,

“Outros modelos podem dar muitos detalhes sobre o que estãoacontecendo muito perto do buraco negro, mas eles não contem informações sobre o que o resto da gala¡xia estãofazendo, ou menos ainda, o que o ambiente ao redor da gala¡xia estãofazendo. Acontece que émuito importante conectar todos esses processos ao mesmo tempo, éaqui que entra este novo estudo. "

O poder de computação éigualmente massivo, afirma Anglanãs-Alca¡zar, com centenas de unidades de processamento central (CPUs) funcionando em paralelo que poderiam facilmente levar a duração de milhões de horas de CPU.

"Esta éa primeira vez que conseguimos criar uma simulação que pode capturar toda a gama de escalas em um aºnico modelo e onde podemos observar como o gás estãofluindo de escalas muito grandes atéo centro do gala¡xia massiva em que estamos nos concentrando. "

Para estudos futuros de grandes populações estata­sticas de gala¡xias e buracos negros massivos , precisamos entender o quadro completo e os mecanismos fa­sicos dominantes para o maior número possí­vel de condições diferentes, diz Anglanãs-Alca¡zar.

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