Wenn Galaxien aufleuchten: Modellierung einer kosmischen Slurp

Behind the Scenes Artikel wurde Live Science in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Irgendwo dreht sich im Kosmos eine gewöhnliche Galaxie, scheinbar im Schlummer. Dann plötzlich, WHAM! Ein Lichtblitz explodiert vom Zentrum der Galaxie. Einen Stern umkreisen zu nah an der Ereignishorizont der Galaxie zentralen supermassiven schwarzen Lochs zerrissen worden durch die Schwerkraft auseinander, sein Gas Aufheizen und sendet ein Leuchtfeuer für die weit erreicht des Universums.

In einem Universum mit zig Milliarden von Galaxien wie würden wir es sehen? Wie sieht so ein Leuchtfeuer? Und wie würden wir es von anderen hellen, monumentale intergalaktischen Veranstaltungen wie Supernovae unterscheiden?

"Schwarze Löcher selbst nicht emittieren Licht,", sagte Tamara Bogdanovic, Assistant Professor für Physik am Georgia Institute of Technology. "Unsere beste Chance sie in fernen Galaxien zu entdecken ist wenn sie interagieren mit den Sternen und Gas, die um sie herum sind."

In den letzten Jahrzehnten festgestellt mit verbesserten Teleskopen und Beobachtungsmethoden entwickelt, um die überwiegende Zahl der Galaxien am Himmel immer wieder befragen Wissenschaftler, dass einige Galaxien, die zuvor inaktiv sah plötzlich in ihrer Mitte leuchten würde.

"Diese Fackel Licht zeigte sich eine charakteristische Verhalten als Funktion der Zeit. Es beginnt sehr hell und seine Leuchtkraft sinkt dann rechtzeitig in besonderer Weise", erklärt sie. "Astronomen identifizierten als Galaxien, wo eine zentrale schwarze Loch nur gestört und"aßen"einen Stern. "Es ist wie ein schwarzes Loch, das Aufstellen von einem Schild, das sagt"Hier bin ich.""

Mit einer Mischung aus theoretischen und Computer-basierte Ansätze, Bogdanovic versucht vorherzusagen, die Dynamik der Ereignisse wie die Black-Hole-verschlingt-Star-Szenario beschrieben, auch bekannt als "Gezeiten Störung." Solche Ereignisse hätte eine unterschiedliche Signatur an jemanden Analyse von Daten aus einer bodengestützten oder weltraumgestützten Beobachtungsstelle.

Mit National Science Foundation finanzierte Supercomputer am Texas Advanced Computing Center (Stampede) und das nationale Institut für Computational Sciences (Kraken), Bogdanovic und ihre Mitarbeiter vor kurzem simuliert die Dynamik dieser superkräftigen Kräfte und ihr Verhalten anhand von numerischen Modellen kartiert.

Gezeiten Störungen sind relativ seltene kosmische Ereignisse. Astrophysiker haben errechnet, dass eine Galaxie der Milchstraße-wie die Unterbrechung der ein Stern nur einmal in etwa 10.000 Jahren inszeniert. Die leuchtende Fackel des Lichts, kann auf der anderen Seite in nur wenigen Jahren verblassen. Weil es solch eine Herausforderung zu Gezeiten Störungen am Himmel zu lokalisieren ist, sind astronomische Untersuchungen, die eine große Zahl von Galaxien gleichzeitig überwachen von entscheidender Bedeutung.

Großen Unterschied

Bisher haben nur ein paar Dutzend dieser charakteristischen Flare-Signaturen beobachtet und gilt als "Kandidaten" für die Gezeiten Störungen. Mit Daten aus PanSTARRS, Galex, der Palomar Transient Factory und andere bevorstehenden astronomische Untersuchungen zur Verfügung stehen Wissenschaftler, Bogdanovic glaubt aber, dass diese Situation dramatisch verändern wird.

"Im Gegensatz zu ein paar Dutzend, die in den letzten 10 Jahren gefunden wurden, nun stellen Sie sich Hunderte pro Jahr – das ist ein riesiger Unterschied!" sagte sie. "Es bedeutet, dass wir in der Lage, erstellen Sie eine abwechslungsreiche Beispiel von Sternen der verschiedenen Arten von supermassereichen Schwarzen Löchern gestört werden."

Mit Hunderten solcher Ereignisse zu erkunden würde Astrophysiker schwarze Löcher und die Sterne um sie herum durch Sprünge und Grenzen verstehen helfen, einige wichtige Aspekte der galaktischen Physik zu bestimmen.

"Eine Vielfalt in der Art der gestörten Sterne uns etwas über das Make-up von Sternhaufen in den Zentren von Galaxien sagt,", sagte Bodganovic. "Es kann geben uns eine Vorstellung über wieviele Sterne der Hauptreihe, wieviele rote Riesen oder Weißen Zwergsternen durchschnittlich gibt."

Gezeiten Störungen auch Erzähl uns etwas über die Bevölkerung und die Eigenschaften der supermassiven schwarzen Löcher, der die Störung tun.

"Wir diese Beobachtungen als ein Zeitfenster nutzen, erfahren wichtige Dinge über die schwarzen Löcher und ihre Galaxien," fuhr sie fort. "Sobald die Gezeiten Störung Fackel unten einige Schwelle Leuchtkraft, die in Erklärungen gesehen werden kann verdunkelt, schließt das Fenster für diese bestimmte Galaxie."

Rolle der supercomputer

In einem jüngst veröffentlichten Papier vorgelegt, das Astrophysical Journalberücksichtigt Bogdanovic, arbeiten mit Roseanne Cheng (Zentrum für relativistische Astrophysik an der Georgia Tech) und Pau Amaro-Seoane (Albert-Einstein-Institut in Potsdam, Deutschland), die Gezeiten Störung von einem roten Riesenstern vom ein supermassives schwarzes Loch mit Computersimulationen.

Das Papier kommt auf den Fersen der Entdeckung einer Gezeiten-Störungsereignis, in denen ein schwarzes Loch einen heliumreichen stellaren Kern, vermutlich ein Überbleibsel eines roten Riesen Star, namens PS1-10jh 2,7 Milliarden Lichtjahre von der Erde gestört.

Die Abfolge der Ereignisse beschrieben sie zielt darauf ab, einige ungewöhnliche Aspekte der Beobachtungsdaten Signaturen mit diesem Ereignis, wie das Fehlen die Emissionslinien von Wasserstoff aus dem Spektrum der PS1-10jh verbunden zu erklären.

Im Anschluss an diese theoretische Studie betreibt das Team Simulationen am Georgia Tech Keeneland Supercomputer, wie Kraken und Stampede. Die Simulationen rekonstruieren die Kette von Ereignissen, die ein stellarer Kern, ähnlich wie der Überrest eines Sterns Gezeiten gestörten roter Riese unter den gravitativen Gezeiten ein massereiches Schwarzes Loch entwickeln könnte.

"Berechnung chaotische Zusammenspiel mit Hydrodynamik und Schwerkraft auf eine menschliche Zeitskala nur mit einem Supercomputer machbar ist", sagte Roseanne Cheng. "Denn wir haben die Kontrolle über diese virtuellen Experiment und kann es wiederholen, vorspulen, oder zurückspulen, je nach Bedarf, können wir die Gezeiten Störung Prozess aus vielen Perspektiven untersuchen." Dies erlaubt wiederum uns zu ermitteln und quantifizieren die wichtigsten physikalischen Prozesse im Spiel."

Die Forschung zeigt, wie Supercomputer Simulationen ergänzen und Theorie und Beobachtung zu beschränken.

"Es gibt viele Situationen in der Astrophysik, wo wir Einblick in eine Abfolge von Ereignissen nicht bekommen können, die ohne Simulationen ausgespielt. Wir können nicht stehen neben das schwarze Loch und schauen wie es Gas akkretiert. Also wir Simulationen verwenden, um über diesen weit entfernten und extreme Umgebungen lernen,"sagte Bogdanovic.

Bogdanovics Ziele gehört die Erkenntnisse aus Simulationen verwenden, um die Unterschriften der beobachteten Gezeiten Störung Veranstaltungen zu entschlüsseln.

"Die jüngsten Daten über Gezeiten Störung Ereignisse bereits überholt ist theoretischen Verständnis und fordert die Entwicklung einer neuen Generation von Modellen," erklärte sie. "Die neue, bessere Qualität, die Daten deuten darauf hin, die gibt es eine große Vielfalt unter den Gezeiten Störung-Kandidaten. Dies widerspricht unserer Wahrnehmung, basierend auf früheren Epochen der Beobachtung, dass sie eine relativ einheitliche Klasse von Ereignissen sind. Wir sind noch zu verstehen, was diese Unterschiede in der beobachtende Erscheinung verursacht, und Computer-Simulationen sind garantiert ein wichtiger Teil dieser Reise."

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Anmerkung der Redaktion: Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Siehe die hinter den Kulissen Archiv.

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