I supercomputer cercano di svelare i segreti dei buchi neri super massicci nelle galassie nane

Posted on ottobre 19, 2010

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Un astronomo della Ohio State University sta lavorando per sbloccare alcuni dei misteri che circondano la formazione delle galassie e dell’evoluzione di enormi buchi neri. 

Nel corso dell’ultimo anno, due gruppi di ricerca guidati da Stelios Kazantzidis, presso il Centro per la cosmologia e Astro-Particle Physics (ccApp) presso la Ohio State University, hanno utilizzato ciò che sarebbe una media di quasi 1.000 ore di elaborazione giornaliere sui sistemi di calcolo ad alte prestazioni parallele dell’Ohio Supercomputer Center (OSC). Per sviluppare i loro modelli e simulazioni, Kazantzidis e i suoi colleghi hanno sfruttato il sistema di punta dell’OSC, il Glenn IBM Cluster 1350, che dispone di più di 9.600 Opteron core e 24 terabyte di memoria.

Kazantzidis e lo studente dell’Università di Zurigo, Simone Callegari, hanno recentemente scritto un libro, “Growing Massive Black Hole Pairs in Minor Mergers of Disk Galaxies”, presentato per la pubblicazione sulla rivista Astrophysical Journal.
Il loro studio ha creato delle simulazioni di fusione galassie a disco con i buchi neri supermassicci (SMBHs). Queste simulazioni includono gli effetti di formazione stellare e la crescita del SMBH, così come i feedback da entrambi i processi.

“Gli SMBHs binari sono molto importanti, perché una volta che si formano c’è sempre la possibilità che i due buchi neri possono successivamente unirsi” ha spiegato Kazantzidis. “Gli SMBHs uniti producono il più forte segnale di emissione di onde gravitazionali dell’Universo. Le onde gravitazionali non sono ancora state individuate direttamente, anche se Einstein le ha predette nella sua Teoria della Relatività Generale”.

Gli astronomi hanno constatato che i rapporti di massa delle coppie dei SMBH uniti nei centri delle galassie, non necessariamente riguardano direttamente i rapporti che avevano con le loro galassie ospiti originali, ma sono “una conseguenza della complessa interazione tra l’accrescimento della materia (stelle e gas) su di loro e delle dinamiche del processo di fusione”.
Come risultato, uno dei due SMBH può crescere in massa molto più velocemente rispetto agli altri.

Kazantzidis ritiene che le simulazioni della formazione dei SMBH binari hanno la possibilità di aprire una nuova finestra sui fenomeni astrofisici e fisici che non possono essere studiati in altri modi e potrebbero aiutare a verificare la relatività generale, una delle teorie fondamentali della fisica.
Kazantzidis e i suoi colleghi hanno anche recentemente sviluppato sofisticati modelli computerizzati per simulare la formazione di galassie nane sferoidali, che sono satelliti della nostra galassia, la Via Lattea.
Lo studio ha concluso che, nella maggioranza dei casi, le galassie nane subiscono una perdita significativa di massa quando orbitano all’interno dei loro eserciti di massa e la loro distribuzione stellare subisce una drammatica mutazione morfologica: dai dischi ai si passa a sistemi sferoidali.

“Queste galassie sono molto importanti per l’astrofisica, perché sono le galassie con più materia oscura, dominante nell’Universo”, ha detto Kazantzidis. “Capire la loro formazione può gettare luce sulla natura stessa della materia oscura. I processi ambientali come le interazioni tra galassie nane e i loro massicci ospiti devono essere inclusi come ingredienti nei futuri modelli di formazione ed evoluzione delle galassie nane”.

Per questo progetto, Kazantzidis, Callegari, Ewa Lokas del Nicolaus Copernicus Astronomico Center e il resto del team hanno presentato al Journal un articolo intitolato “On the Efficiency of the Tidal Stirring Mechanism for the Origin of Dwarf Spheroidals: Dependence on the Orbital and Structural Parameters of the Progenitor Disky Dwarfs”.

I centri di supercalcolo come l’OSC permetteno agli astronomi di creare modelli estremamente sofisticati che non sono realizzabili su sistemi desktop. Tuttavia, anche con i supercomputer, Kazantzidis e i suoi colleghi hanno capito che anche simulando la moltitudine di elementi coinvolti in questi processi galattici, resta una sfida enorme.
“I nostri modelli possono seguire solo un piccolo sottoinsieme di diciamo stelle di una galassia”, ha spiegato. “Per esempio, una galassia come la nostra Via Lattea contiene centinaia di miliardi di stelle, e anche le simulazioni più sofisticate, possono solo simulare una piccola frazione di questo numero. La situazione diventa sempre più difficile nelle simulazioni che coinvolgono la materia oscura. Questo perché, la particella della materia oscura, è una particella elementare e quindi, è molto meno massiccia di una stella. Una galassia come la Via Lattea contiene dell’ordine di 10 67 particelle di materia oscura (cioè, il numero uno seguito da 67 zeri )”.

L’obiettivo del team Kazantzidis ‘è quello di sviluppare rappresentazioni di galassie che sono più le accurate possibili. L’accesso al cluster Glenn aumenta il numero di oggetti (o la simulazione di particelle) che può essere rappresentato nel modello, potenziando la loro capacità di eseguire calcoli accurati e significativi.
“Il potente hardware e software disponibile presso l’OSC è particolarmente adatto per la ricerca d’avanguardia, come quello condotto dal dottor Kazantzidis”, ha detto Ashok Krishnamurthy, direttore presso l’OSC.
“I risultati che sono stati in grado di raggiungere attraverso i loro progetti di ricerca sono impressionanti e dimostrano la capacità del Centro di aiutare ad accelerare l’innovazione e la scoperta”.

Questi progetti sono stati finanziati dall’ccApp, lo Swiss National Science Foundation, il Ministero polacco della Scienza e dell’istruzione superiore e da una dotazione di tempo di calcolo dell’ OSC.

A cura di Arthur McPaul

Fonte: “http://www.sciencedaily.com/releases/2010/10/101014144225.htm”

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