Primer modelo que muestra cómo fluye el gas a través del universo hacia el centro de un agujero negro supermasivo.

Los brazos espirales de las galaxias son responsables de recoger gas para alimentar a sus agujeros negros supermasivos centrales, según una nueva simulación de alta potencia.

Iniciada en la Universidad Northwestern, la simulación es la primera en mostrar, con gran detalle, cómo fluye el gas a través del universo hasta el centro de un agujero negro supermasivo. Si bien otras simulaciones han modelado el crecimiento de los agujeros negros, esta es la primera simulación por computadora lo suficientemente poderosa como para dar cuenta de manera integral de las numerosas fuerzas y factores que influyen en la evolución de los agujeros negros supermasivos.

La simulación también brinda una visión poco común de la naturaleza misteriosa de los cuásares, que son agujeros negros increíblemente luminosos y de rápido crecimiento. Algunos de los objetos más brillantes del universo, los quásares, a menudo incluso eclipsan a galaxias enteras.

“La luz que observamos desde cuásares distantes se alimenta cuando el gas cae en agujeros negros supermasivos y se calienta en el proceso”, dijo Claude-André Faucher-Giguère de Northwestern, uno de los autores principales del estudio. “Nuestras simulaciones muestran que las estructuras de las galaxias, como los brazos espirales, utilizan fuerzas gravitacionales para” frenar “el gas que, de otro modo, orbitaría los centros de las galaxias para siempre. Este mecanismo de ruptura permite que el gas caiga en su lugar en agujeros negros y los frenos gravitacionales, o torsiones, son lo suficientemente fuertes como para explicar los cuásares que observamos ”.

La investigación fue publicada el 17 de agosto de 2021 en la revista Astrophysical Journal.

Faucher-Giguère es profesor asociado de física y astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y miembro del Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA). Daniel Anglés-Alcázar, profesor asistente de la Universidad de Connecticut y ex becario de CIERA en el grupo de Faucher-Giguère, es el primer autor del artículo.

Equivalentes a la masa de millones o incluso miles de millones de soles, los agujeros negros supermasivos pueden tragar 10 veces la masa de un sol en solo un año. Pero mientras algunos agujeros negros supermasivos disfrutan de un suministro continuo de alimentos, otros permanecen inactivos durante millones de años, solo para volver a despertar abruptamente con una afluencia fortuita de gas. Los detalles sobre cómo fluye el gas a través del universo para alimentar los agujeros negros supermasivos han sido una pregunta de larga data.

Hasta ahora, los teóricos desarrollaron explicaciones que se basaban en unir diferentes ideas sobre cómo la materia en las galaxias se apiña en la millonésima parte más interna del tamaño de una galaxia “.

Claude-André Faucher-Giguère, astrofísico

Para abordar este misterio, el equipo de investigación desarrolló la nueva simulación, que incorpora muchos de los procesos físicos clave, incluida la expansión del universo y el entorno galáctico a gran escala, la hidrodinámica del gas de gravedad y la retroalimentación de estrellas masivas, en un solo modelo.

“Eventos poderosos como las supernovas inyectan mucha energía en el medio circundante, y esto influye en cómo evoluciona la galaxia”, dijo Anglés-Alcázar. “Por lo tanto, debemos incorporar todos estos detalles y procesos físicos para capturar una imagen precisa”.

Sobre la base del trabajo anterior del proyecto FIRE (“Feedback In Realistic Environments”), la nueva tecnología aumenta en gran medida la resolución del modelo y permite seguir el gas a medida que fluye a través de la galaxia con una resolución más de 1.000 veces mejor de lo que era posible anteriormente.

“Otros modelos pueden darte muchos detalles sobre lo que está sucediendo muy cerca del agujero negro, pero no contienen información sobre lo que está haciendo el resto de la galaxia o mucho menos sobre lo que está haciendo el entorno alrededor de la galaxia”. Anglés-Alcázar dijo. “Resulta que es muy importante conectar todos estos procesos al mismo tiempo”.

“La mera existencia de agujeros negros supermasivos es bastante sorprendente, sin embargo, no hay consenso sobre cómo se formaron”, dijo Faucher-Giguère. “La razón por la que los agujeros negros supermasivos son tan difíciles de explicar es que su formación requiere meter una gran cantidad de materia en un espacio diminuto. ¿Cómo se las arregla el universo para hacer eso? Hasta ahora, los teóricos desarrollaron explicaciones que se basaban en unir diferentes ideas sobre cómo la materia en las galaxias se apiña en la millonésima parte más interna del tamaño de una galaxia “.

Con las nuevas simulaciones, los investigadores finalmente pueden modelar cómo sucede esto. Por ejemplo, la nueva simulación ayudará a los investigadores a comprender el origen del agujero negro supermasivo en el centro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, así como el agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia Messier 87, que fue capturado por el famoso Event Horizon. Telescopio en 2019. A continuación, los investigadores tienen como objetivo estudiar grandes poblaciones estadísticas de galaxias y sus agujeros negros centrales para comprender mejor cómo pueden formarse y crecer los agujeros negros en diversas condiciones.