Новая модель решает давнюю проблему: откуда квазары берут топливо, необходимое им, чтобы затмить целые галактики?
Ключевые выводы
- Новое моделирование объединяет модели в локальном и галактическом масштабах, чтобы показать, как сверхмассивные черные дыры растут и развиваются вместе с их галактиками.
- Газ, который должен выйти на краю галактики, удерживается гравитацией и часто направляется к центру.
- Для моделирования требуется объединенная мощность сотен процессоров.
Сверхмассивные черные дыры находятся в центре большинства крупных галактик, и они могут быть в миллионы или миллиарды раз массивнее Солнца. Они часто раскрывают свое существование, разбрасывая сверхгигантские звезды, как тряпичные куклы. Когда они особенно энергичны, эти черные дыры могут превратить ядра галактик, в которых они обитают, в ярко сияющие квазары, которые высвобождают столько электромагнитной энергии, что затмевают весь Млечный Путь..
Однако сверхмассивные черные дыры остаются загадкой. Как они формируются в первую очередь, остается неизвестным, и то, как квазары получают достаточно материала, в основном газа, для подпитки их невероятной светимости, беспокоило ученых в течение многих лет.
Теперь новая модель, которая пытается объяснить эти тайны, была недавно опубликована в The Astrophysical Journal. В тысячу раз более подробная, чем предыдущие модели, эта модель позволяет исследователям смотреть как на то, что происходит вблизи черной дыры, так и в масштабах целых галактик.
Моделирование самых больших монстров вселенной
Видеоклип, показывающий модель в действии в разных масштабах, позволяющий зрителю увидеть, как газ пробивается к аккреционному диску, окружающему черную дыру.
Старые модели, которые пытались показать, как сверхмассивные черные дыры взаимодействуют с их галактиками, столкнулись с парой проблем.
Крупномасштабные симуляции очень хорошо справляются с тем, что происходит во всей галактике, но они становятся проблематичными в меньших масштабах. Когда кто-то пытается слишком внимательно рассмотреть черную дыру, используя такие модели, возникает множество неопределенностей. С другой стороны, симуляционные модели с «увеличением масштаба» могут дать отличное представление о том, что происходит рядом с черной дырой, но они не в состоянии описать, что происходит в остальной части галактики.
Сочетание преимуществ этих двух моделей в одной модели имеет жизненно важное значение, поскольку взаимодействие между процессами в больших и меньших масштабах является ключом к пониманию совместной эволюции сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. и самих галактик. Новая модель призвана преодолеть разрыв между этими старыми моделями, начиная с проекта «Обратная связь в реалистичных средах» (FIRE) и добавляя детали из крупномасштабного моделирования для создания модели, которая может увеличивать масштаб до десятой доли парсека. (~ 0.3 световых года), а также моделировать другие явления в галактическом масштабе.
Они достигли этого, объединив физику межзвездной среды из проекта FIRE, новый подход к росту черных дыр, который уменьшает неопределенность при рассмотрении меньших масштабов, и, как было сказано в исследовании, « новый гиперлагранжев метод уточнения, который динамически увеличивает разрешение ближе к черной дыре».
Новая модель также включает в себя множество других важных элементов, таких как эффекты гравитации, обратная связь от больших звезд, газовая гидродинамика и расширение Вселенной, чтобы дать максимально полное представление о галактиках. возможный.
Нет выхода
Модель позволяет исследователям видеть и следить за движением газа по галактике с гораздо более высоким разрешением, чем это было возможно раньше. Работая на объединенной мощности сотен ЦП, модель впервые дает представление о потоках газов с краев галактики в пасть всепоглощающей сверхмассивной черной дыры.
Как оказалось, газ, который в противном случае вырвался бы из галактики в пустоту между галактиками, подвергается воздействию гравитации таких вещей, как спиральные рукава галактики, и втягивается обратно в нее. Важно отметить, что это помогает объяснить, откуда берется весь газ, необходимый для питания квазаров. Без этих «гравитационных тормозов» газ навсегда улетучится и будет вращаться вокруг галактики, где квазары не смогут использовать его в качестве топлива.
Соавтор Клод-Андре Фоше-Жигер из Северо-Западного университета далее объяснил ценность этих открытий с точки зрения понимания того, как работают самые невероятные объекты во Вселенной, в интервью Northwestern Now:
«Само существование сверхмассивных черных дыр весьма удивительно, однако нет единого мнения о том, как они образовались. Причина, по которой сверхмассивные черные дыры так трудно объяснить, заключается в том, что для их образования требуется втиснуть огромное количество материи в крошечное пространство. Как Вселенной удается это делать? До сих пор теоретики разрабатывали объяснения, основанные на объединении различных идей того, как материя в галактиках забивается в самую внутреннюю миллионную часть размера галактики.”
Авторы надеются продолжить свои исследования, наблюдая за большим количеством галактик и их центральными сверхмассивными черными дырами, чтобы лучше понять, как такие монстры развиваются и эволюционируют с течением времени.