Wissenschaftler des NASA Goddard Space Flight Center nutzten das NASA Center for Climate Simulation (NCCS) und führten 100 Simulationen durch, um Jets – schmale Strahlen energiereicher Teilchen – zu untersuchen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus supermassereichen Schwarzen Löchern austreten. Diese Giganten sitzen in den Zentren aktiver, sternbildender Galaxien wie unserer eigenen Milchstraße und können das Millionen- bis Milliardenfache der Sonnenmasse wiegen.
Wenn Jets und Winde aus diesen aktiven galaktischen Kernen (AGN) ausströmen, „regulieren sie das Gas im Zentrum der Galaxie und beeinflussen Dinge wie die Sternentstehungsrate und wie sich das Gas mit der umgebenden galaktischen Umgebung vermischt“, erklärte der Studienleiter Ryan Tanner, Postdoc im Röntgen-Astrophysik-Labor der NASA Goddard.
„Für unsere Simulationen konzentrierten wir uns auf weniger untersuchte Jets mit geringer Leuchtkraft und darauf, wie sie die Entwicklung ihrer Wirtsgalaxien bestimmen.“ Tanner sagte. Er arbeitete mit der Astrophysikerin Kimberly Weaver vom Röntgen-Astrophysik-Labor an der Computerstudie zusammen, die in erscheint Das Astronomische Journal.
Neue Simulationen, die auf dem Discover-Supercomputer des NASA-Zentrums für Klimasimulation (NCCS) durchgeführt wurden, zeigen, wie schwächere Jets mit geringer Leuchtkraft, die von einem schwarzen Monsterloch einer Galaxie erzeugt werden, mit ihrer galaktischen Umgebung interagieren. Da diese Jets schwieriger zu erkennen sind, helfen die Simulationen den Astronomen, diese Wechselwirkungen mit Merkmalen zu verknüpfen, die sie beobachten können, wie z. B. verschiedene Gasbewegungen und optische und Röntgenemissionen. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA.
Beobachtungsbeweise für Jets und andere AGN-Ausflüsse kamen zuerst von Radioteleskopen und später von Röntgenteleskopen der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation. In den letzten 30 bis 40 Jahren haben Astronomen, darunter auch Weaver, eine Erklärung für ihren Ursprung zusammengestellt, indem sie optische, Radio-, Ultraviolett- und Röntgenbeobachtungen miteinander verbunden haben (siehe das nächste Bild unten).
„Jets mit hoher Leuchtkraft sind leichter zu finden, weil sie massive Strukturen erzeugen, die bei Radiobeobachtungen zu sehen sind“, erklärte Tanner. „Jets mit geringer Leuchtkraft sind schwierig zu beobachten, daher versteht die Astronomie-Community sie nicht so gut.“
Geben Sie NASA-Supercomputer-fähige Simulationen ein. Für realistische Startbedingungen verwendeten Tanner und Weaver die Gesamtmasse einer hypothetischen Galaxie von der Größe der Milchstraße. Für die Gasverteilung und andere AGN-Eigenschaften suchten sie nach Spiralgalaxien wie NGC 1386, NGC 3079 und NGC 4945.
Tanner modifizierte den astrophysikalischen Hydrodynamikcode von Athena, um die Auswirkungen der Jets und des Gases aufeinander über 26.000 Lichtjahre des Weltraums, etwa den halben Radius der Milchstraße, zu untersuchen. Aus dem vollständigen Satz von 100 Simulationen wählte das Team 19 zur Veröffentlichung aus, die 800.000 Kernstunden auf dem Supercomputer NCCS Discover verbrauchten.
„Durch die Nutzung von Supercomputing-Ressourcen der NASA konnten wir einen viel größeren Parameterraum erkunden, als wenn wir bescheidenere Ressourcen verwenden müssten“, sagte Tanner. „Dies führte zur Aufdeckung wichtiger Beziehungen, die wir mit einem begrenzteren Umfang nicht entdecken konnten.“
Diese Visualisierung zeigt die komplexe Struktur des Jets einer aktiven Galaxie (orange und violett), der von interstellaren Molekülwolken (blau und grün) unterbrochen wird. Da der Jet um 30 Grad auf die Zentralebene der Galaxie ausgerichtet ist, hat eine umfassendere Wechselwirkung mit den Sternen und Gaswolken der Galaxie dazu geführt, dass sich der Jet in zwei Teile geteilt hat. Kredit: Ryan Tanner und Kim Weaver, NASA Goddard.
Die Simulationen deckten zwei Haupteigenschaften von Jets mit geringer Leuchtkraft auf:
„Wir haben die Methode demonstriert, mit der das AGN auf seine Galaxie einwirkt und die physikalischen Merkmale erzeugt, wie z. B. Erschütterungen im interstellaren Medium, die wir seit etwa 30 Jahren beobachten“, sagte Weaver. „Diese Ergebnisse lassen sich gut mit optischen und Röntgenbeobachtungen vergleichen. Ich war überrascht, wie gut die Theorie mit den Beobachtungen übereinstimmt und langjährige Fragen anspricht, die ich zu AGN hatte, die ich als Doktorand untersucht habe, wie NGC 1386! Und jetzt können wir uns auf größere erweitern Proben.“
Mehr Informationen:
Ryan Tanner et al, Simulationen von AGN-gesteuerter galaktischer Abflussmorphologie und -inhalt, Das Astronomische Journal (2022). DOI: 10.3847/1538-3881/ac4d23