Im Herzen der massereichsten Galaxien in unserem Universum befinden sich Supermassive Schwarze Löcher (SMBH) in der Größenordnung des Millionen- bis Milliardenfachen der Sonnenmasse. Da diese Giganten Gas und Staub verbrauchen, die langsam in ihre Schlund gespeist werden, setzen sie enorme Energiemengen frei. Dies führt zu einem sogenannten an Aktiver Galaktischer Kern (AGN) – auch bekannt. ein Quasar – der manchmal Lichtjahre lang Materialstrahlen mit Hypergeschwindigkeit senden kann.
Astrophysiker vermuten seit ihrer Entdeckung, dass SMBHs eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Entwicklung von Galaxien spielen. Infolgedessen wurde jedoch auch viel geforscht, wie sich diese massiven Objekte selbst bilden und entwickeln. Kürzlich führte ein Team von Astrophysikern eine leistungsstarke Simulation durch, die genau zeigte, wie SMBHs-Feed und stellte fest, dass die Arme einer Galaxie eine entscheidende Rolle spielen.
Die Studie, die ihre Forschung beschreibt, wurde am 17. August veröffentlichtNS, in Das Astrophysikalische Journal . Das Team wurde von Daniel Anglés-Alcázar geleitet, einem Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der University of Connecticut und ehemaliger Fellow am Zentrum für interdisziplinäre Exploration und Forschung in der Astrophysik (CIERA). Er wurde begleitet von Claude-André Faucher-Giguère , Associate Professor an der Northwestern University und CIERA-Mitglied.
Faucher-Giguère ist auch der Anführer der Northwestern Faucher-Giguère-Galaxienformationsgruppe , wo Malcázar Mitglied war und wo die Arbeit an der Simulation begann. Andere Mitglieder waren Astronomen und Physiker vom MIT, Caltech, the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), die Institut für Höhere Studien , das Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute , und mehrere Universitäten.
SMBHs sind nicht nur unglaublich massiv und leistungsstark, sondern auch dafür bekannt, dass sie einen gewaltigen Appetit haben und in nur einem Jahr 10 Sonnenmassen Material verbrauchen können. Aber während einige eine kontinuierliche Gasversorgung genießen, werden andere für Millionen von Jahren ruhen und dann aufgrund eines plötzlichen Gaszuflusses wieder erwachen. Bis jetzt waren die Details, wie Gas durch den Kosmos strömte, um SMBHs zu ernähren, ein langes Rätsel geblieben.
Um dieses Problem anzugehen, haben Anglés-Alcázar und seine Forscherkollegen die erste Simulation entwickelt, die leistungsstark genug ist, um alle beteiligten physikalischen Prozesse zu simulieren. Dazu gehörten die Hubble-Lamaitre-Konstante (Expansionsrate des Universums), die großräumige Umgebung des Kosmos, Gashydrodynamik, Feedback von massereichen Sternen und Gravitation, alles in einem Modell. Als Anglés-Alcázar erklärt :
„Mächtige Ereignisse wie Supernovae injizieren viel Energie in das umgebende Medium, und dies beeinflusst die Entwicklung der Galaxie. Daher müssen wir all diese Details und physikalischen Prozesse einbeziehen, um ein genaues Bild zu erhalten. Andere Modelle können Ihnen viele Details darüber erzählen, was ganz in der Nähe des Schwarzen Lochs passiert, aber sie enthalten keine Informationen darüber, was der Rest der Galaxie tut oder noch weniger darüber, was die Umgebung der Galaxie tut. Es stellt sich heraus, dass es sehr wichtig ist, all diese Prozesse gleichzeitig zu verbinden.“
Die Simulation des Teams baut auf früheren Arbeiten des ' Feedback in realistischen Umgebungen “ (FIRE)-Projekt, das Simulationen erstellt, die die Vorhersagekraft der Galaxienentstehung verbessern sollen. Eine der brennenden Fragen, denen sich das Projekt widmet, sind die Eigenschaften von Zu- und Abflüssen sowie Rückkopplungsmechanismen, die beide für diese Studie von großer Bedeutung waren. Wie Faucher-Giguère kürzlich in einem Northwestern Now . erklärte Pressemitteilung :
„Das Licht, das wir von fernen Quasaren beobachten, wird angetrieben, wenn Gas in supermassereiche Schwarze Löcher fällt und sich dabei erhitzt. Unsere Simulationen zeigen, dass Galaxienstrukturen wie Spiralarme Gravitationskräfte nutzen, um Gas zu „bremsen“, das sonst die Galaxienzentren für immer umkreisen würde. Dieser Brechmechanismus ermöglicht es dem Gas, stattdessen in Schwarze Löcher zu fallen, und die Gravitationsbremsen oder Drehmomente sind stark genug, um die von uns beobachteten Quasare zu erklären.“
Die neue Simulation bot eine stark verbesserte Modellauflösung und ermöglichte es dem Forschungsteam, Gasströmungen durch die Milchstraße mit über 1.000-mal höherer Genauigkeit zu simulieren. Während frühere Simulationen das Wachstum von Schwarzen Löchern modellieren konnten, ist dies die erste, die leistungsfähig genug ist, um die zahlreichen Kräfte und Faktoren, die Teil einer SMBHs-Entwicklung sind, umfassend zu berücksichtigen. Als Faucher-Giguère erklärt :
„Die bloße Existenz supermassereicher Schwarzer Löcher ist ziemlich erstaunlich, aber es gibt keinen Konsens darüber, wie sie entstanden sind. Der Grund dafür, dass supermassive Schwarze Löcher so schwer zu erklären sind, ist, dass ihre Bildung es erfordert, eine riesige Menge Materie in einen winzigen Raum zu stopfen. Wie schafft das Universum das? Bis jetzt haben Theoretiker Erklärungen entwickelt, die darauf basieren, verschiedene Ideen dafür zusammenzufügen, wie Materie in Galaxien in das innerste Millionstel der Größe einer Galaxie gestopft wird.“
Mit diesen neuen Simulationen können Forscher endlich modellieren, wie dies geschieht. So könnten Forscher zum Beispiel neue Erkenntnisse über den Ursprung des SMBH im Zentrum der Milchstraße (aka. Schütze A* ) und der in der Mitte des Jungfrau ein Überriese (Messier 87) Galaxie – die das erste Schwarze Loch überhaupt wurde abgebildet werden bis zum Event Horizon Teleskop (EHT) in 2019.
Darüber hinaus bieten diese Simulationen seltene Einblicke in die mysteriöse Natur von Quasaren, die so leuchtend sind, dass sie ganze Galaxien überstrahlen. In ihren Kernen und ihrer berühmten Leuchtkraft sind schnell wachsende supermassereiche Schwarze Löcher, deren Ursprünge immer noch nicht gut verstanden sind. Mit Blick auf die Zukunft hofft das Forschungsteam, große statistische Populationen von Galaxien und ihren SMBHs zu untersuchen, um mehr über ihre Entstehung und ihr Wachstum unter verschiedenen Bedingungen zu erfahren.
Weiterlesen: Nordwestliches Jetzt , Das Astrophysikalische Journal