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Post-Newtonian modelling of the dynamics of supermassive black holes in galactic-scale hydrodynamical simulations (KETJU)

Description du projet

Modéliser notre cosmos

Les trous noirs supermassifs (TNSM), dont la masse équivaut à des millions de fois celle de notre Soleil, génèrent une force gravitationnelle qui empêche même la lumière de s’échapper. Une moitié du prix Nobel de physique 2020 a été attribuée à des scientifiques qui ont démontré que les orbites des étoiles de notre Voie lactée sont courbées par un TNSM. Mieux comprendre les TNSM, qui sont probablement présents au centre de toutes les galaxies massives, devrait nous permettre d’en savoir davantage sur la formation des amas stellaires et des galaxies, ainsi que sur les ondes gravitationnelles. Le projet KETJU, financé par l’UE, élabore un code qui permettra de simuler avec précision la dynamique et les fusions des TNSM, et donc de faire des prévisions réalistes du signal d’onde gravitationnelle résultant, qui guideront les expériences d’observation actuelles et futures.

Objectif

Supermassive black holes (SMBHs) with masses in the range ~10^6-10^10 M⊙ are found at the centres of all massive galaxies in the Local Universe. In the ΛCDM picture of structure formation galaxies grow bottom-up through mergers and gas accretion, leading to multiple SMBHs in the same stellar system. Current simulation codes are unable to resolve in a single simulation the full SMBH merging process, which involves dynamical friction, three-body interactions and finally gravitational wave (GW) emission. KETJU will provide a significant breakthrough in SMBH research by following for the first time accurately global galactic-scale dynamical and gaseous astrophysical processes, while simultaneously solving the dynamics of SMBHs, SMBH binaries and surrounding stellar systems at sub-parsec scales. Our code KETJU (the word for 'chain' in Finnish) is built on the GADGET-3 code and it includes regions around every SMBH in which the dynamics of SMBHs and stellar particles is modelled using a non-softened Post-Newtonian algorithmic chain regularisation technique. The remaining simulation particles far from the SMBHs are evolved using softened GADGET-3. Using KETJU we can study at unprecedented accuracy the dynamics of SMBHs to separations of ~10 Schwarzschild radii, the formation of cores in massive galaxies, the formation of nuclear stellar clusters and finally provide a realistic prediction for the amplitude and frequency distribution of the cosmological gravitational wave background. The UH theoretical extragalactic team is ideally suited for this project, as it has an unusually versatile background in modelling the dynamics, feedback and merging of SMBHs. KETJU is also particularly timely, as the spectacular direct detection of GWs in 2016 is paving the way for a new era in gravitational wave astronomy. Future space-borne GW observatories, such as the European Space Agency's LISA, require accurate global GW predictions in order to fully realise their science goals.

Régime de financement

ERC-COG - Consolidator Grant

Institution d’accueil

HELSINGIN YLIOPISTO
Contribution nette de l'UE
€ 1 953 569,00
Adresse
YLIOPISTONKATU 3
00014 Helsingin Yliopisto
Finlande

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Région
Manner-Suomi Helsinki-Uusimaa Helsinki-Uusimaa
Type d’activité
Higher or Secondary Education Establishments
Liens
Coût total
€ 1 953 569,00

Bénéficiaires (1)