Астрономы раскрыли тайны массивных черных дыр и квазаров

В центре галактик находятся массивные черные дыры, окруженные вращающимся газом. Некоторые из них ярко светятся, имея постоянный запас топлива, в то время как другие бездействуют в течение очень длительного времени, чтобы потом неожиданно проснуться. Астрономы все еще не могут найти ответ на вопрос, как газовые потоки движутся по Вселенной, питая эти массивные черные дыры.

Доцент кафедры физики Университета Коннектикута Даниэль Англес-Алькасар, ведущий автор статьи, недавно опубликованной в The Astrophysical Journal, отвечает на некоторые вопросы, связанные с этими массивными и загадочными особенностями Вселенной, используя новые более мощные модели.

«Сверхмассивные черные дыры играют ключевую роль в эволюции галактик, и мы пытаемся понять, как они растут в центрах галактик. Это очень важно не только потому, что черные дыры сами по себе очень интересные объекты, как источники гравитационных волн и всевозможных интересных вещей, но и потому, что нам нужно понять, как галактики эволюционируют», — говорит Англес-Алькасар.

Англес-Алькасар, который также является младшим научным сотрудником Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон, говорит, что для ответа на эти вопросы проблема заключалась в создании моделей, достаточно мощных, чтобы учесть многочисленные силы и факторы, которые играют в этом процессе. В предыдущих работах рассматривались либо очень большие масштабы, либо самые маленькие шкалы, «но было нелегко изучить весь диапазон одновременно соединенных шкал».

Формирование галактики, как утверждает Англес-Алькасар, начинается с ореола темной материи, которая доминирует над массой и гравитационным потенциалом в этой области, и начинает притягивать газ из своего окружения. Звезды образуются из плотного газа, но некоторые из них должны достичь центра галактики, чтобы «накормить» черную дыру. Однако непонятно, как весь этот газ попадает туда?

«Когда сверхмассивные черные дыры растут очень быстро, мы называем их квазарами. Они могут иметь массу, в миллиард раз превышающую массу Солнца, и могут затмить все остальное в галактике. Внешний вид квазаров зависит от количества газа», — отметил он.

Новое моделирование дает ключевое понимание природы квазаров, показывая, что сильные гравитационные силы звезд могут искривлять и дестабилизировать газ в разных масштабах и управлять притоком газа, достаточным для питания светящегося квазара в эпоху пика активности галактик. Визуализируя эту серию событий, легко увидеть сложность их моделирования.

Англес-Алькасар говорит, что необходимо учитывать множество компонентов, влияющих на эволюцию черной дыры.

«Наше моделирование включает многие ключевые физические процессы, например, гидродинамику газа и то, как он развивается под действием сил давления, гравитации и обратной связи от массивных звезд. Мощные события, такие как сверхновые, выделяют много энергии в окружающую среду, и это влияет на развитие галактики, поэтому нам нужно включить все эти детали и физические процессы, чтобы получить точную картину», — добавил он.

Основываясь на предыдущей работе проекта FIRE («Обратная связь в реалистичной среде»), Англес-Алькасар объясняет новую технику, которая значительно увеличивает разрешение модели и позволяет проследить за газом, движущимся по галактике, с более мощным разрешением, чем было доступно ранее.

«Другие модели могут показать вам много деталей о том, что происходит в непосредственной близости от черной дыры, но они не содержат информации о том, что делает остальная часть галактики, или, тем более, о том, что делает окружающая среда вокруг галактики. Оказывается, очень важно соединить все эти процессы одновременно, и здесь на помощь приходит новое исследование», — добавил ученый.

«Для будущих исследований больших статистических популяций галактик и массивных черных дыр нам необходимо понять полную картину и основные физические механизмы для как можно большего количества различных условий. Это только начало изучения всех этих различных процессов, объясняющих, как черные дыры могут образовываться и расти», — говорит Англес-Алькасар.