Сверхмассивные черные дыры — самые массивные объекты во Вселенной. Их масса может достигать миллионов и миллиардов солнечных масс. Моделирование суперкомпьютера на суперкомпьютере Frontera Техасского передового вычислительного центра (TACC) помогло астрофизикам раскрыть происхождение сверхмассивных черных дыр, образовавшихся около 11 миллиардов лет назад.

«Мы обнаружили, что одним из возможных каналов образования сверхмассивных черных дыр является чрезвычайное слияние массивных галактик, которое, скорее всего, произойдет в эпоху «космического полудня», — сказал Юинг Ни, научный сотрудник Гарвардского университета. Смитсоновский центр астрофизики.

Ни является ведущим автором работы, опубликованной в Astrophysical Journal Letters в декабре 2022 года, в которой было обнаружено образование сверхмассивной черной дыры в результате слияния тройных квазаров, систем трех галактических ядер, освещенных газом и пылью, падающих во вложенную сверхмассивную черную дыру.

Работая рука об руку с данными телескопа, компьютерное моделирование помогает астрофизикам заполнить недостающие сведения о происхождении звезд и экзотических объектов, таких как черные дыры.

Одна из крупнейших космологических симуляций на сегодняшний день называется Astrid , совместно разработанной Ni. Это самая большая симуляция с точки зрения частиц или загрузки памяти в области моделирования образования галактик.

«Научная цель Астрид — изучить формирование галактик, слияние сверхмассивных черных дыр и реионизацию в космической истории», — пояснила она. Astrid моделирует большие объемы космоса, охватывающие сотни миллионов световых лет, но может увеличивать масштаб до очень высокого разрешения.

Ни разработал Астрид, используя суперкомпьютер Frontera Техасского передового вычислительного центра (TACC), самый мощный академический суперкомпьютер в США.

«Frontera — единственная система, которую мы использовали [в] Астрид с первого дня. Это чистая симуляция, основанная на Frontera», — продолжил Ни.

Frontera идеально подходит для моделирования Astrid компании Ni благодаря своей способности поддерживать большие приложения, которым требуются тысячи вычислительных узлов, отдельные физические системы процессоров и памяти, объединенные вместе для некоторых из самых сложных научных вычислений.

«Мы использовали 2048 узлов, максимально допустимое для большой очереди, чтобы запускать эту симуляцию на регулярной основе. Это возможно только на больших суперкомпьютерах, таких как Frontera», — сказал Ни.

Ее выводы из моделирования Astrid показывают нечто совершенно ошеломляющее — образование черных дыр может достигать теоретического верхнего предела в 10 миллиардов солнечных масс. «Это очень сложная вычислительная задача. Но вы можете поймать эти редкие и экстремальные объекты только с помощью моделирования большого объема», — сказал Ни.

«То, что мы обнаружили, — это три сверхмассивные черные дыры, которые накопили свою массу в космический полдень, время 11 миллиардов лет назад, когда звездообразование, активные ядра галактик (АЯГ) и сверхмассивные черные дыры в целом достигают своего пика активности», — сказала она. добавлен.

Около половины всех звезд во Вселенной родились в космический полдень. Доказательства этого исходят из многоволновых данных многочисленных обзоров галактик, таких как Глубокое исследование происхождения Великих обсерваторий, где спектры далеких галактик рассказывают о возрасте их звезд, истории их звездообразования и химических элементах звезд внутри.

«В эту эпоху мы заметили экстремальное и относительно быстрое слияние трех массивных галактик», — сказал Ни. «Масса каждой из галактик в 10 раз превышает массу нашего Млечного Пути, и в центре каждой галактики находится сверхмассивная черная дыра. Наши результаты показывают возможность того, что эти триплетные системы квазаров являются прародителями этих редких сверхмассивных черных дыр. , после того как эти триплеты гравитационно взаимодействуют и сливаются друг с другом».

Более того, новые наблюдения галактик в космический полдень помогут раскрыть слияние сверхмассивных черных дыр и формирование сверхмассивных. Сейчас поступают данные с космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) с деталями морфологии галактик в высоком разрешении.

«Мы проводим макет наблюдений для данных JWST из моделирования Астрид», — сказал Ни.

«Кроме того, будущая космическая обсерватория гравитационных волн NASA Laser Interferometer Space Antenna (LISA) даст нам гораздо лучшее понимание того, как эти массивные черные дыры сливаются и / или сливаются, а также иерархическую структуру, формирование и галактику. слияния на протяжении всей космической истории», — добавила она. «Это захватывающее время для астрофизиков, и хорошо, что у нас есть моделирование, позволяющее делать теоретические прогнозы для этих наблюдений».

Исследовательская группа Ни также планирует систематическое изучение галактик в AGN в целом. «Они являются очень важной научной целью для JWST, определяя морфологию родительских галактик AGN и то, как они отличаются от широкой популяции галактики в космический полдень», — добавила она.

«Здорово иметь доступ к суперкомпьютерам, технологиям, которые позволяют нам моделировать участок Вселенной в мельчайших деталях и делать прогнозы на основе наблюдений», — сказал Ни.