No centro das galáxias, como nossa própria Via Láctea, existem enormes buracos negros cercados por gás em rotação. Alguns brilham intensamente, com um suprimento contínuo de combustível, enquanto outros ficam dormentes 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.

Professor Assistente de Física da UConn Daniel Anglés-Alcázar, autor principal em um artigo publicado hoje em The Astrophysical Journal , aborda algumas das questões que cercam essas características massivas e enigmáticas do universo usando novos, 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 um cientista pesquisador associado do Flatiron Institute Center for Computational Astrophysics, afirma que o desafio de responder a essas perguntas tem sido a criação de modelos poderosos o suficiente para levar em conta as inúmeras forças e fatores que influenciam o processo. Trabalhos anteriores analisaram escalas muito grandes ou a menor das escalas, "mas tem sido um desafio estudar toda a gama de escalas conectadas simultaneamente."

Formação de galáxias, Anglés-Alcázar diz, começa com um halo de matéria escura que domina a massa e o potencial gravitacional na área e começa a puxar o gás de seus arredores. Estrelas se formam a partir do gás denso, mas parte dela 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 buracos negros supermassivos estão crescendo muito rápido, nos referimos a eles como quasares, "ele diz." Eles podem ter uma massa de até um bilhão de vezes a massa do Sol e podem ofuscar tudo o mais na galáxia. A aparência dos quasares depende de quanto gás eles adicionam por unidade de tempo. Como conseguimos levar tanto gás até 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 de estrelas podem torcer e desestabilizar o gás em escalas, e impulsionar o influxo de gás suficiente para alimentar um quasar luminoso na época de pico da atividade da galáxia.

Ao visualizar esta série de eventos, é fácil ver as complexidades 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 no meio circundante e isso influencia como a galáxia evolui, portanto, precisamos incorporar todos esses detalhes e processos físicos para capturar uma imagem precisa. "

Com base no trabalho anterior do projeto FIRE ("Feedback em ambientes realistas"), Anglés-Alcázar explica a nova técnica delineada no artigo que aumenta muito a resolução do modelo e permite seguir o gás conforme ele flui pela galáxia com resolução mais de mil vezes melhor do que anteriormente possível,

"Outros modelos podem fornecer 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 ainda menos, 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 enorme, Anglés-Alcázar diz, com centenas de unidades de processamento central (CPUs) em execução 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."