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| Distribución del gas a través de las escalas, con la densidad del gas aumentando del púrpura al amarillo. El panel superior izquierdo muestra una gran región que contiene decenas de galaxias (6 millones de años luz). Los paneles siguientes se acercan progresivamente a la región nuclear de la galaxia más masiva y a las proximidades del agujero negro supermasivo central. Los cúmulos y filamentos de gas caen desde el borde interior de la cavidad central alimentando ocasionalmente al agujero negro. Crédito: Anglés-Alcázar et al. 2021, ApJ, 917, 53 |
En el centro de las galaxias, como nuestra Vía Láctea, se encuentran enormes agujeros negros rodeados de gas que gira. Algunos brillan con fuerza, con un suministro continuo de combustible, mientras que otros permanecen inactivos durante millones de años, sólo para despertar con una afluencia serendípica de gas. Sigue siendo un gran misterio cómo fluye el gas a través del universo para alimentar estos enormes agujeros negros.
El profesor adjunto de Física de la UConn, Daniel Anglés-Alcázar, autor principal de un artículo que se publica hoy en The Astrophysical Journal, aborda algunas de las cuestiones que rodean a estas masivas y enigmáticas características del universo utilizando nuevas simulaciones de gran potencia.
"Los agujeros negros supermasivos desempeñan un papel clave en la evolución de las galaxias y estamos tratando de entender cómo crecen en los centros de las galaxias", dice Anglés-Alcázar. "Esto es muy importante no sólo porque los agujeros negros son objetos muy interesantes por sí mismos, como fuentes de ondas gravitacionales y todo tipo de cosas interesantes, sino también porque necesitamos entender lo que hacen los agujeros negros centrales si queremos entender cómo evolucionan las galaxias".
Anglés-Alcázar, que también es investigador asociado en el Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron, afirma que un reto para responder a estas preguntas ha sido crear modelos lo suficientemente potentes como para dar cuenta de las numerosas fuerzas y factores que intervienen en el proceso. Los trabajos anteriores se han centrado en escalas muy grandes o en las más pequeñas, "pero ha sido un reto estudiar toda la gama de escalas conectadas simultáneamente".
La formación de las galaxias, dice Anglés-Alcázar, comienza con un halo de materia oscura que domina la masa y el potencial gravitatorio de la zona y empieza a arrastrar gas de su entorno. Las estrellas se forman a partir del gas denso, pero parte de él debe llegar al centro de la galaxia para alimentar el agujero negro. ¿Cómo llega todo ese gas hasta allí? En el caso de algunos agujeros negros, se trata de cantidades ingentes de gas, el equivalente a diez veces la masa del sol o más tragado en sólo un año, dice Anglés-Alcázar.
"Cuando los agujeros negros supermasivos crecen muy rápido, nos referimos a ellos como cuásares", dice. "Pueden tener una masa muy superior a mil millones de veces la masa del sol y pueden eclipsar todo lo demás en la galaxia". El aspecto de los cuásares depende de la cantidad de gas que añaden por unidad de tiempo. ¿Cómo se consigue llevar tanto gas hasta el centro de la galaxia y lo suficientemente cerca como para que el agujero negro pueda agarrarlo y crecer desde allí?"
Las nuevas simulaciones proporcionan una visión clave de la naturaleza de los cuásares, mostrando que las fuertes fuerzas gravitatorias de las estrellas pueden retorcer y desestabilizar el gas a través de las escalas, e impulsar una afluencia de gas suficiente para impulsar un cuásar luminoso en la época de máxima actividad de la galaxia.
Al visualizar esta serie de eventos, es fácil ver las complejidades de su modelización, y Anglés-Alcázar dice que es necesario tener en cuenta la miríada de componentes que influyen en la evolución de los agujeros negros.
"Nuestras simulaciones incorporan muchos de los procesos físicos clave, por ejemplo, la hidrodinámica del gas y cómo evoluciona bajo la influencia de las fuerzas de presión, la gravedad y la retroalimentación de las estrellas masivas. Acontecimientos poderosos como las supernovas inyectan mucha energía en el medio circundante y esto influye en cómo evoluciona la galaxia, por lo que tenemos que incorporar todos estos detalles y procesos físicos para captar una imagen precisa".
Basándose en trabajos anteriores del proyecto FIRE ("Feedback In Realistic Environments"), Anglés-Alcázar explica la nueva técnica descrita en el artículo que aumenta enormemente la resolución del modelo y permite seguir el gas mientras fluye a través de la galaxia con una resolución más de mil veces mejor de lo que era posible anteriormente,
"Otros modelos pueden dar muchos detalles sobre lo que ocurre muy cerca del agujero negro, pero no contienen información sobre lo que hace el resto de la galaxia, ni mucho menos, sobre lo que hace el entorno que la rodea. Resulta que es muy importante conectar todos estos procesos al mismo tiempo, y ahí es donde entra este nuevo estudio".
La potencia de cálculo es igualmente masiva, dice Anglés-Alcázar, con cientos de unidades centrales de procesamiento (CPU) funcionando en paralelo, lo que podría haber llevado fácilmente la duración de millones de horas de CPU.
"Es la primera vez que hemos sido capaces de crear una simulación que puede capturar toda la gama de escalas en un solo modelo y donde podemos observar cómo el gas está fluyendo desde escalas muy grandes hasta el mismo centro de la galaxia masiva en la que nos estamos centrando".
Para futuros estudios de grandes poblaciones estadísticas de galaxias y agujeros negros masivos, necesitamos entender la imagen completa y los mecanismos físicos dominantes para tantas condiciones diferentes como sea posible, dice Anglés-Alcázar.
"Eso es algo que nos entusiasma. Esto es sólo el comienzo de la exploración de todos estos diferentes procesos que explican cómo los agujeros negros pueden formarse y crecer bajo diferentes regímenes."
Fuentes, créditos y referencias:
Daniel Anglés-Alcázar et al, Cosmological Simulations of Quasar Fueling to Subparsec Scales Using Lagrangian Hyper-refinement, The Astrophysical Journal (2021). DOI: 10.3847/1538-4357/ac09e8