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Sfatare un mistero su enormi buchi neri e quasar – video

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Al centro delle galassie, come la nostra Via Lattea, si trovano enormi buchi neri circondati da gas in rotazione. Alcuni brillano brillantemente, con una fornitura continua di carburante, mentre altri rimangono inattivi per milioni di anni, solo per risvegliarsi con un fortuito afflusso di gas. Rimane in gran parte un mistero come il gas scorra attraverso l’universo per alimentare questi enormi buchi neri.

Daniel Anglés-Alcázar, assistente professore di fisica dell’Università del Connecticut, autore principale di un articolo pubblicato di recente su The Astrophysical Journal, affronta alcune delle domande che circondano queste enormi ed enigmatiche caratteristiche dell’universo utilizzando nuove simulazioni ad alta potenza.

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I buchi neri supermassicci giocano un ruolo chiave nell’evoluzione delle galassie e stiamo cercando di capire come crescono al centro delle galassie”, ha affermato Anglés-Alcázar. “Questo è molto importante non solo perché i buchi neri sono oggetti molto interessanti di per sé, come fonti di onde gravitazionali e ogni sorta di cose interessanti, ma anche perché dobbiamo capire cosa stanno facendo i buchi neri centrali se vogliamo capire come le galassie si evolvono”.

Una scoperta che fornisce nuove informazioni su come si evolvono le galassie

Distribuzione del gas attraverso le scale, con la densità del gas che aumenta dal viola al giallo. Il pannello in alto a sinistra mostra una vasta regione contenente decine di galassie (6 milioni di anni luce di diametro). I pannelli successivi ingrandiscono progressivamente la regione nucleare della galassia più massiccia e giù fino alle vicinanze del buco nero supermassiccio centrale. Grumi e filamenti di gas cadono dal bordo interno della cavità centrale alimentando occasionalmente il buco nero
Distribuzione del gas attraverso le scale, con la densità del gas che aumenta dal viola al giallo. Il pannello in alto a sinistra mostra una vasta regione contenente decine di galassie (6 milioni di anni luce di diametro). I pannelli successivi ingrandiscono progressivamente la regione nucleare della galassia più massiccia e giù fino alle vicinanze del buco nero supermassiccio centrale. Grumi e filamenti di gas cadono dal bordo interno della cavità centrale alimentando occasionalmente il buco nero

Anglés-Alcázar, che è anche ricercatore associato presso il Flatiron Institute Center for Computational Astrophysics, afferma che una sfida nel rispondere a queste domande è stata la creazione di modelli abbastanza potenti da tenere conto delle numerose forze e fattori che giocano nel processo. I lavori precedenti hanno esaminato scale molto grandi o scale molto piccole, “ma è stata una sfida studiare l’intera gamma di scale collegate simultaneamente”.

Il gas per alimentare i buchi neri

La formazione della galassia, dice Anglés-Alcázar, inizia con un alone di materia oscura che domina la massa e il potenziale gravitazionale nell’area e inizia ad attirare gas dall’ambiente circostante. Le stelle si formano dal gas denso, ma alcune di esse devono raggiungere il centro della galassia per alimentare il buco nero. Come ci arriva tutto quel gas? Per alcuni buchi neri, ciò comporta enormi quantità di gas, l’equivalente di dieci volte la massa del sole, afferma Anglés-Alcázar.

“Quando i buchi neri supermassicci crescono molto velocemente, li chiamiamo quasar”, dice. “Possono avere una massa fino a un miliardo di volte la massa del sole e possono eclissare qualsiasi altra cosa nella galassia. L’aspetto dei quasar dipende da quanto gas aggiungono per unità di tempo. Come facciamo a portare così tanto gas al centro della galassia e abbastanza vicino che il buco nero possa afferrarlo e crescere da lì?”

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Le nuove simulazioni forniscono informazioni chiave sulla natura dei quasar, mostrando che le forti forze gravitazionali delle stelle possono distorcere e destabilizzare il gas su diverse scale e guidare un afflusso di gas sufficiente per alimentare un quasar luminoso all’epoca del picco di attività galattica.

Nel visualizzare questa serie di eventi, è facile vedere la complessità della loro modellazione e Anglés-Alcázar afferma che è necessario tenere conto della miriade di componenti che influenzano l’evoluzione del buco nero.

“Le nostre simulazioni incorporano molti dei processi fisici chiave, ad esempio l’idrodinamica del gas e come si evolve sotto l’influenza di forze di pressione, gravità e feedback da stelle massicce. Eventi potenti come le supernove iniettano molta energia nel mezzo circostante e questo influenza l’evoluzione della galassia, quindi dobbiamo incorporare tutti questi dettagli e processi fisici per catturare un’immagine accurata”.

Basandosi sul lavoro precedente del progetto FIRE (“Feedback In Realistic Environments”), Anglés-Alcázar spiega la nuova tecnica delineata nel documento che aumenta notevolmente la risoluzione del modello e consente di seguire il gas mentre scorre attraverso la galassia.

“Altri modelli possono dirti molti dettagli su ciò che sta accadendo molto vicino al buco nero, ma non contengono informazioni su ciò che sta facendo il resto della galassia, o ancora meno, su ciò che sta facendo l’ambiente intorno alla galassia. Si scopre che è molto importante collegare tutti questi processi allo stesso tempo, ed è qui che entra in gioco questo nuovo studio”.

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La potenza di calcolo è altrettanto enorme, afferma Anglés-Alcázar, con centinaia di unità di elaborazione centrale (CPU) in esecuzione in parallelo che avrebbero potuto facilmente richiedere milioni di ore di CPU.

“Questa è la prima volta che siamo stati in grado di creare una simulazione in grado di catturare l’intera gamma di scale in un singolo modello e in cui possiamo osservare come il gas fluisce da scale molto grandi fino al centro del un’enorme galassia su cui ci stiamo concentrando”.

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Per studi futuri su grandi popolazioni statistiche di galassie e buchi neri massicci, dobbiamo comprendere il quadro completo e i meccanismi fisici dominanti per quante più condizioni possibili, afferma Anglés-Alcázar.

“Questo è qualcosa di cui siamo decisamente entusiasti. Questo è solo l’inizio dell’esplorazione di tutti questi diversi processi che spiegano come i buchi neri possono formarsi e crescere in regimi diversi”.

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