Ein seltener Dreifachquasar ist eines der massereichsten Objekte im Universum

Supermassereiche Schwarze Löcher sind die massereichsten Objekte im Universum. Seine Masse kann Millionen und Milliarden Sonnenmassen erreichen. Supercomputer-Simulationen auf dem Frontera-Supercomputer des Texas Advanced Computing Center (TACC) haben Astrophysikern geholfen, den Ursprung von supermassiven Schwarzen Löchern aufzudecken, die vor etwa 11 Milliarden Jahren entstanden sind.

„Wir haben herausgefunden, dass ein möglicher Entstehungskanal für supermassereiche Schwarze Löcher aus den extremen Verschmelzungen massereicher Galaxien stammt, die am wahrscheinlichsten in der Ära des ‚kosmischen Mittags‘ auftreten“, sagte Yuying Ni, Postdoktorand an der Smithsonian Institution for Astrophysics.

Ni ist der Hauptautor der Arbeit, die in veröffentlicht wurde Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe Im Dezember 2022 wurde festgestellt, dass supermassereiche Schwarze Löcher aus der Verschmelzung ternärer Quasare entstanden sind, Systeme aus drei galaktischen Kernen, die von Gas und Staub beleuchtet werden und in ein dazwischenliegendes supermassereiches Schwarzes Loch fallen.

In Verbindung mit den Daten des Teleskops hilft die Computersimulation den Astrophysikern, fehlende Teile der Ursprünge von Sternen und exotischen Objekten wie Schwarzen Löchern zu ergänzen.

Es wird als eine der bisher größten kosmischen Simulationen bezeichnet AstridMitentwickelt von Ni. Es ist die größte Simulation in Bezug auf Partikelgröße oder Speicherauslastung im Bereich der Galaxienentstehungssimulationen.

Sie erklärte, dass „Astrids wissenschaftliches Ziel darin besteht, die Entstehung von Galaxien, die Verschmelzung von supermassereichen Schwarzen Löchern und die Reionisierung im Laufe der kosmischen Geschichte zu untersuchen.“ Astrid modelliert große Volumina des Universums, die sich über Hunderte von Millionen Lichtjahren erstrecken, und kann dennoch auf eine sehr hohe Auflösung zoomen.

Er wurde von Ni Astrid unter Verwendung des Frontera-Supercomputers des Texas Advanced Computing Center (TACC) entwickelt und ist der leistungsfähigste akademische Supercomputer in den Vereinigten Staaten.

Frontera ist das einzige System, das wir entwickelt haben [in] Astrid vom ersten Tag an. Es ist eine reine Simulation, die auf Frontera basiert“, fuhr Ni fort.

Frontera ist ideal für die Astrid-Simulationen von Ni, da es große Anwendungen unterstützen kann, die Tausende von Rechenknoten und einzelne physische Prozessor- und Speichersysteme benötigen, die für einige der schwierigsten wissenschaftlichen Berechnungen zusammengeschaltet werden müssen.

„Wir haben 2048 Knoten verwendet, das Maximum, das in der großen Warteschlange zulässig ist, um diese Simulationen routinemäßig zu starten. Dies ist nur auf großen Supercomputern wie Frontera möglich“, sagte Ni.

Meine Erkenntnisse aus Astrids Simulation zeigen etwas völlig Verwirrendes – die Entstehung von Schwarzen Löchern kann eine theoretische Obergrenze von 10 Milliarden Sonnenmassen erreichen. „Es ist eine sehr schwierige Rechenaufgabe. Aber man kann diese seltenen und extremen Objekte nur mit groß angelegten Simulationen erfassen“, sagte Ni.

„Was wir gefunden haben, sind drei supermassive Schwarze Löcher, die ihre Masse während des kosmischen Mittags gesammelt haben, das ist die Zeit vor 11 Milliarden Jahren, als Sternentstehung, aktive galaktische Kerne (AGN) und supermassive Schwarze Löcher im Allgemeinen ihre höchste Aktivität erreichten“, fügte er hinzu .

Etwa die Hälfte aller Sterne im Universum wurden während eines kosmischen Mittags geboren. Beweise dafür stammen aus Multi-Wellenlängen-Daten von mehreren galaktischen Surveys wie dem Great Observations Origins Deep Survey, wo Spektren von fernen Galaxien das Alter ihrer Sterne, die Entstehungsgeschichte von Sternen und die chemischen Elemente der Sterne in ihnen erzählen.

„In dieser Ära haben wir eine intensive und relativ schnelle Verschmelzung von drei massereichen Galaxien entdeckt“, sagte Ni. „Die Masse jeder Galaxie ist zehnmal so groß wie die unserer Milchstraße, und im Zentrum jeder Galaxie befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch. Unsere Ergebnisse zeigen die Möglichkeit, dass diese dreifachen Quasarsysteme die Vorfahren dieser seltenen supermassiven Schwarzen Löcher sind.“ nachdem diese drei interagieren Schwerkraft und miteinander verschmelzen.

Darüber hinaus werden neue Beobachtungen von Galaxien am kosmischen Mittag dazu beitragen, die Verschmelzung supermassiver Schwarzer Löcher und die Entstehung supermassiver Löcher aufzudecken. Jetzt rollen Daten vom James Webb Space Telescope (JWST) mit hochauflösenden Details von Galaxienformen ein.

„Wir folgen einem Feedback-Modell aus den JWST-Daten der Astrid-Simulation“, sagte Ni.

„Darüber hinaus wird uns das Laser Interferometer Space Telescope (LISA) Observatory der NASA ein besseres Verständnis dafür vermitteln, wie diese massiven Schwarzen Löcher verschmelzen und/oder verschmelzen, zusammen mit ihrer hierarchischen Struktur, Zusammensetzung und Galaxienverschmelzung im Laufe der kosmischen Geschichte.“ „Dies ist eine aufregende Zeit für Astrophysiker, und es ist gut, dass wir Simulationen haben, um theoretische Vorhersagen dieser Beobachtungen zu ermöglichen.“

Die Ni-Forschungsgruppe plant auch, das Wirts-AGN von Galaxien im Allgemeinen systematisch zu untersuchen. „Es ist ein sehr wichtiges wissenschaftliches Ziel für JWST, da es bestimmt, wie die Wirtsgalaxien des AGN aussehen und wie sie sich während des kosmischen Mittags im Vergleich zur breiten Bevölkerung der Galaxie unterscheiden“, fügte sie hinzu.

„Es ist großartig, Zugang zu Supercomputern zu haben, einer Technologie, die es uns ermöglicht, einen Teil des Universums sehr detailliert zu modellieren und Vorhersagen aus Beobachtungen zu treffen“, sagte Ni.