I mitten av galaxer, som vår egen Vintergatan, ligger massiva svarta hål omgivna av snurrande gas. Vissa lyser starkt, med en kontinuerlig tillförsel av bränsle, medan andra är vilande i miljontals år, bara för att vakna upp igen med ett slumpmässigt inflöde av gas. Det förblir till stor del ett mysterium hur gas flödar över universum för att mata dessa massiva svarta hål.

UConn biträdande professor i fysik Daniel Anglés-Alcázar, huvudförfattare på en tidning som publicerades idag i The Astrophysical Journal , tar upp några av frågorna kring dessa massiva och gåtfulla egenskaper i universum genom att använda nya, kraftfulla simuleringar.

"Supermassiva svarta hål spelar en nyckelroll i galaxens evolution och vi försöker förstå hur de växer i galaxernas centrum, ", säger Anglés-Alcázar. "Detta är väldigt viktigt inte bara för att svarta hål är väldigt intressanta föremål i sig, som källor till gravitationsvågor och alla möjliga intressanta saker, men också för att vi måste förstå vad de centrala svarta hålen gör om vi vill förstå hur galaxer utvecklas."

Anglés-Alcázar, som också är Associate Research Scientist vid Flatiron Institute Center for Computational Astrophysics, säger att en utmaning i att svara på dessa frågor har varit att skapa modeller som är kraftfulla nog att ta hänsyn till de många krafter och faktorer som spelar in i processen. Tidigare verk har tittat på antingen mycket stora skalor eller de allra minsta skalorna, "men det har varit en utmaning att studera hela skalan anslutna samtidigt."

Galaxbildning, Anglés-Alcázar säger, börjar med en halo av mörk materia som dominerar massan och gravitationspotentialen i området och börjar dra in gas från omgivningen. Stjärnor bildas från den täta gasen, men en del av det måste nå galaxens centrum för att mata det svarta hålet. Hur kommer all den gasen dit? För vissa svarta hål, det handlar om enorma mängder gas, motsvarande tio gånger solens massa eller mer som sväljs på bara ett år, säger Anglés-Alcázar.

"När supermassiva svarta hål växer väldigt snabbt, vi kallar dem kvasarer, " säger han. "De kan ha en massa långt upp till en miljard gånger solens massa och kan överglänsa allt annat i galaxen. Hur kvasarer ser ut beror på hur mycket gas de tillför per tidsenhet. Hur lyckas vi få så mycket gas ner till mitten av galaxen och nära nog att det svarta hålet kan ta tag i det och växa därifrån?"

De nya simuleringarna ger viktiga insikter om kvasarernas natur, visar att starka gravitationskrafter från stjärnor kan vrida och destabilisera gasen över skalor, och driva tillräckligt med gasinflöde för att driva en lysande kvasar vid epok av topp galaxaktivitet.

Genom att visualisera denna serie av händelser, det är lätt att se komplexiteten i att modellera dem, och Anglés-Alcázar säger att det är nödvändigt att redogöra för de otaliga komponenterna som påverkar svarta håls utveckling.

"Våra simuleringar inkluderar många av de viktigaste fysiska processerna, till exempel, gasens hydrodynamik och hur den utvecklas under påverkan av tryckkrafter, allvar, och feedback från massiva stjärnor. Kraftfulla händelser som supernovor injicerar mycket energi i det omgivande mediet och detta påverkar hur galaxen utvecklas, så vi måste införliva alla dessa detaljer och fysiska processer för att fånga en korrekt bild."

Bygger på tidigare arbete från projektet FIRE ("Feedback In Realistic Environments"), Anglés-Alcázar förklarar den nya tekniken som beskrivs i tidningen som avsevärt ökar modellens upplösning och gör det möjligt att följa gasen när den strömmar över galaxen med mer än tusen gånger bättre upplösning än vad som tidigare varit möjligt,

"Andra modeller kan berätta mycket detaljer om vad som händer väldigt nära det svarta hålet, men de innehåller ingen information om vad resten av galaxen gör, eller ännu mindre, vad miljön runt galaxen gör. Det visar sig, det är mycket viktigt att koppla ihop alla dessa processer samtidigt, det är här denna nya studie kommer in."

Datorkraften är lika stor, Anglés-Alcázar säger, med hundratals centrala bearbetningsenheter (CPU) som körs parallellt som lätt kunde ha tagit miljontals CPU-timmar.

"Det här är första gången som vi har kunnat skapa en simulering som kan fånga hela skalan i en enda modell och där vi kan se hur gas strömmar från mycket stora skalor hela vägen ner till mitten av massiv galax som vi fokuserar på."

För framtida studier av stora statistiska populationer av galaxer och massiva svarta hål, vi måste förstå hela bilden och de dominerande fysiska mekanismerna för så många olika tillstånd som möjligt, säger Anglés-Alcázar.

"Det är något vi definitivt är exalterade över. Det här är bara början på att utforska alla dessa olika processer som förklarar hur svarta hål kan bildas och växa under olika regimer."