Autores: Melanie Habouzit, Yuan Li, Rachel S. Somerville, Shy Genel, Annalisa Pillepich, Marta Volonteri, Romeel Davé, Yetli Rosas-Guevara, Stuart McAlpine, Sébastien Peirani, Lars Hernquist, Daniel Anglés-Alcázar, Amy Reines, Richard Bower, Yohan Dubois, Dylan Nelson, Christophe Pichon, Mark Vogelsberger
Instituição do primeiro autor: Max-Planck-Institut für Astronomie (Alemanha) & Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (Alemanha)
Status: Publicado em MNRAS [acesso aberto]
Observações e simulações astronômicas são simbióticas, como abelhas e flores. Usamos simulações para contextualizar observações e entender como objetos mudam com o tempo e responder questões como: como Júpiteres quentes se formam? Como ventos estelares e campos magnéticos afetam a formação estelar? Como as galáxias elípticas gigantes do Universo Local se pareciam há 10 bilhões de anos?
Ao mesmo tempo, nosso entendimento do Universo — a partir de teoria e observações — motiva os ingredientes das simulações. O movimento de fluidos e campos magnéticos, as interações entre matéria escura e matéria ordinária e a atividade de buracos negros supermassivos formam a base das simulações cosmológicas em larga escala, que visam simular não apenas uma única estrela, planeta, nuvem molecular ou galáxia, mas milhares de galáxias através de bilhões de anos.
Essa relação fechada significa que é extremamente importante entender as razões pelas quais as simulações cosmológicas podem discordar do Universo que vemos. Por exemplo, se a simulação diz que deveríamos estar vendo um tipo particular de galáxia, mas ela não aparece nas observações, isso provavelmente significa que há algum mecanismo físico faltante na simulação ou um efeito de seleção observacional (algo sobre a galáxia que a faz difícil de ser detectada usando levantamentos de grandes galáxias) em jogo. Distinguir entre ambos pode levar anos, dezenas de artigos e centenas de fios brancos.
Um modo simples de julgar simulações contra observações é olhar para a correlação entre duas medidas na simulação versus nas observações. O artigo de hoje foca especificamente na correlação entre a massa de um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia ($M_{BH}$) e a massa total de todas as estrelas dessa galáxia ($M_{*}$). Essas duas quantidades estão correlacionadas — com uma quantidade decente de dispersão — no Universo próximo: como é essa correlação em simulações cosmológicas?
Os autores do artigo de hoje discutem seis simulações cosmológicas: Illustris, duas versões de IllustrisTNG (uma menor, uma maior), Horizon-AGN, EAGLE, e SIMBA. Cada galáxia nessas simulações contém matéria escura, um buraco negro central supermassivo, matéria bariônica (normal, não escura), e ventos de supernovas e do buraco negro central que podem perturbar a matéria bariônica ou expulsá-la completamente para fora da galáxia (um processo conhecido como feedback). Galáxias podem se fundir à medida que as simulações progridem, e seus buracos negros centrais também se fundirão se ficarem suficientemente próximos.
A Figura 1 mostra a relação massa do buraco negro-massa escura ($M_{BH} – M_{*}$) ao final de cada uma das seis simulações ($z = 0$, ‘hoje’), mais um conjunto de buracos negros supermassivos em galáxias no Universo Local. O contorno preto em cada painel representa a região onde a maioria das observações se encontra.
Os autores pontuam as principais diferenças entre simulações e observações, onde as simulações superestimam ou subestimam o número de buracos negros (veja as regiões na Figura 2). Em geral, as simulações não são capazes de produzir a mesma diversidade de combinações de galáxias com buraco negro que vemos no Universo real. Eles também notaram que a forma da relação $M_{BH} – M_{*}$ não parece mudar muito de 12 bilhões de anos atrás ($z = 4$) até os dias atuais em qualquer uma das simulações, e as mudanças que ocorrem ao longo do tempo na relação geralmente podem ser explicadas pela implementação particular da física em cada simulação. Isso é mais difícil de comparar com as observações, porque, para medir a relação em momentos anteriores, precisaríamos olhar mais longe, e medir as massas de buracos negros é difícil em um Universo mais distante.
Então, o que poderia estar causando essas incompatibilidades? Como as equipes de simulação podem fazer suas simulações se parecerem mais com o Universo observado? Os autores sugerem adicionar mais aleatoriedade e diversidade ao processo de crescimento do buraco negro. Por exemplo, no início das simulações, todas as galáxias são ‘semeadas’ com um buraco negro, que cresce com o tempo. Talvez essas sementes iniciais de buracos negros devessem ter massa aleatória, em vez de serem as mesmas para todas as galáxias. A eficiência do feedback do buraco negro — quão efetivamente ele pode ejetar material para fora da galáxia — poderia também ser um valor randomicamente distribuído, em vez de ser idêntico para todas as galáxias.
No entanto, os astrônomos criando simulações cosmológicas sempre precisam balancear o desejo de ter seu Universo simulado o mais realista possível com as limitações de supercomputadores que rodam simulações cosmológicas. À medida que o hardware continua a progredir e novos métodos computacionais são desenvolvidos, simulações se tornarão mais e mais sofisticadas; e, combinadas com mais observações e com a ajuda de comparações simulação-observação como as do artigo de hoje, elas serão mais capazes de recriar e nos ensinar sobre o nosso Universo.
Traduzido para o português do astrobite original “Spotting the Difference: Supermassive Black Holes in Cosmological Simulations Don’t Match Observations“, escrito por Meredith Stone e editado por Lina Kimmig.
Créditos da imagem em destaque: Illustris Collaboration
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