Al centro delle galassie, come la nostra Via Lattea, si trovano enormi buchi neri circondati da gas rotante. Alcuni brillano mentre altri vanno in letargo per milioni di anni, solo per risvegliarsi grazie a un afflusso fortuito di gas. Rimane in gran parte un mistero come il gas fluisca 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 caratteristiche massicce ed enigmatiche dell'universo utilizzando nuove simulazioni ad alta potenza.
"I buchi neri supermassicci svolgono un ruolo chiave nell'evoluzione delle galassie e stiamo cercando di capire come crescono al centro delle galassie", ha spiegato Anglés-Alcázar. "Questo è molto importante non solo perché i buchi neri sono oggetti molto interessanti da soli, come fonti di onde gravitazionali e ogni sorta di cose interessanti, ma anche perché abbiamo bisogno di capire cosa stanno facendo i buchi neri centrali se vogliamo capire come si evolvono le galassie".
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 spiegare le numerose forze e fattori che giocano nel processo. I lavori precedenti hanno esaminato scale molto grandi o la più piccola delle scale, "ma è stata una sfida studiare l'intera gamma di scale collegate contemporaneamente".
La formazione delle galassie, secondo Anglés-Alcázar, inizia con un alone di materia oscura che domina la massa e il potenziale gravitazionale nell'area e inizia a estrarre 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, questo comporta enormi quantità di gas, l'equivalente di dieci volte la massa del sole o più inghiottita in un solo anno, dice Anglés-Alcázar.
"Quando i buchi neri supermassicci crescono molto velocemente, ci riferiamo a loro come quasar", dice. "Possono avere una massa ben oltre un miliardo di volte la massa del sole e possono eclissare tutto il resto della galassia. L'aspetto dei quasar dipende dalla quantità di gas che aggiungono per unità di tempo. Come riusciamo a portare così tanto gas al centro della galassia e abbastanza vicino che il buco nero possa afferrarlo e crescere da lì?"
Le nuove simulazioni forniscono informazioni chiave sulla natura dei quasar, dimostrando che forti forze gravitazionali delle stelle possono torcere e destabilizzare il gas su più scale e guidare un afflusso di gas sufficiente per alimentare un quasar luminoso all'epoca di picco dell'attività galattica.
Nel visualizzare questa serie di eventi, è facile vedere le complessità della loro modellazione, e Anglés-Alcázar dice che è necessario tenere conto della miriade di componenti che influenzano l'evoluzione dei buchi neri.
"Le nostre simulazioni incorporano molti dei processi fisici chiave, ad esempio l'idrodinamica del gas e il modo in cui si evolve sotto l'influenza delle forze di pressione, della gravità e del feedback delle stelle massicce. Eventi potenti come le supernove iniettano molta energia nel mezzo circostante e questo influenza il modo in cui la galassia si evolve, quindi dobbiamo incorporare tutti questi dettagli e processi fisici per catturare un'immagine accurata".
Basandosi sul precedente lavoro 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 con una risoluzione più di mille volte migliore di quanto fosse possibile in precedenza,
"Altri modelli possono dirti molti dettagli su ciò che sta accadendo molto vicino al buco nero, ma non contengono informazioni su ciò che il resto della galassia sta facendo, 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, è qui che entra in gioco questo nuovo studio".
"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 dove possiamo osservare come il gas scorre da scale molto grandi fino al centro della galassia massiccia su cui ci stiamo concentrando".
Per studi futuri di grandi popolazioni statistiche di galassie e buchi neri massicci, dobbiamo comprendere il quadro completo e i meccanismi fisici dominanti per il maggior numero possibile di condizioni diverse, 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 sotto regimi diversi".