Seltenes Quasar-Triplett bildet eines der massereichsten Objekte im Universum

Ultramassereiche Schwarze Löcher sind die massereichsten Objekte im Universum. Ihre Masse kann Millionen und Milliarden Sonnenmassen erreichen. Supercomputer-Simulationen auf dem Frontera-Supercomputer des Texas Advanced Computing Center (TACC) haben Astrophysiker dabei unterstützt, den Ursprung von ultramassiven Schwarzen Löchern aufzudecken, die vor etwa 11 Milliarden Jahren entstanden sind.

„Wir fanden heraus, dass ein möglicher Entstehungskanal für ultramassereiche Schwarze Löcher aus der extremen Verschmelzung massereicher Galaxien stammt, die am wahrscheinlichsten in der Epoche des ‚kosmischen Mittags‘ stattfinden“, sagte Yueying Ni, Postdoktorand an der Harvard-Universität. Smithsonian Center für Astrophysik.

Ni ist der Hauptautor von Arbeiten, die in veröffentlicht wurden Die Briefe des astrophysikalischen Journals im Dezember 2022, das die Bildung ultramassiver Schwarzer Löcher aus der Verschmelzung von Dreifachquasaren fand, Systeme aus drei galaktischen Kernen, die von Gas und Staub beleuchtet werden und in ein verschachteltes supermassereiches Schwarzes Loch fallen.

Computersimulationen arbeiten Hand in Hand mit Teleskopdaten und helfen Astrophysikern dabei, die fehlenden Teile zum Ursprung von Sternen und exotischen Objekten wie Schwarzen Löchern zu ergänzen.

Eine der bisher größten kosmologischen Simulationen wird aufgerufen Astrid, mitentwickelt von Ni. Es ist die größte Simulation in Bezug auf die Partikel- oder Speicherlast im Bereich der Galaxienentstehungssimulationen.

„Das wissenschaftliche Ziel von Astrid ist es, die Entstehung von Galaxien, die Koaleszenz von supermassereichen Schwarzen Löchern und die Re-Ionisation im Laufe der kosmischen Geschichte zu untersuchen“, erklärte sie. Astrid modelliert große Volumina des Kosmos, die sich über Hunderte von Millionen Lichtjahren erstrecken, und kann dennoch auf eine sehr hohe Auflösung zoomen.

Ni entwickelte Astrid unter Verwendung des Frontera-Supercomputers des Texas Advanced Computing Center (TACC), des leistungsstärksten akademischen Supercomputers in den USA

„Frontera ist das einzige System, das wir durchgeführt haben [in] Astrid vom ersten Tag an. Es ist eine reine Frontera-basierte Simulation“, fuhr Ni fort.

Frontera ist ideal für die Astrid-Simulationen von Ni, da es große Anwendungen unterstützen kann, die Tausende von Rechenknoten benötigen, die einzelnen physischen Systeme von Prozessoren und Speicher, die für einige der schwierigsten Berechnungen der Wissenschaft zusammengezogen werden.

„Wir haben 2.048 Knoten verwendet, das Maximum, das in der großen Warteschlange zulässig ist, um diese Simulation routinemäßig zu starten. Das ist nur auf großen Supercomputern wie Frontera möglich“, sagte Ni.

Ihre Erkenntnisse aus den Astrid-Simulationen zeigen etwas völlig Verwirrendes – die Entstehung von Schwarzen Löchern kann eine theoretische Obergrenze von 10 Milliarden Sonnenmassen erreichen. „Es ist eine sehr rechenintensive Aufgabe. Aber Sie können diese seltenen und extremen Objekte nur mit einer großvolumigen Simulation erfassen“, sagte Ni.

„Was wir gefunden haben, sind drei ultramassive Schwarze Löcher, die ihre Masse während des kosmischen Mittags aufgebaut haben, der Zeit vor 11 Milliarden Jahren, als Sternentstehung, aktive galaktische Kerne (AGN) und supermassive Schwarze Löcher im Allgemeinen ihre höchste Aktivität erreichen“, sagte sie hinzugefügt.

Etwa die Hälfte aller Sterne im Universum wurden während des kosmischen Mittags geboren. Beweise dafür stammen aus Multiwellenlängendaten zahlreicher Galaxiendurchmusterungen wie dem Great Observatories Origins Deep Survey, wo die Spektren entfernter Galaxien über das Alter ihrer Sterne, ihre Sternentstehungsgeschichte und die chemischen Elemente der Sterne darin berichten.

„In dieser Epoche haben wir eine extreme und relativ schnelle Verschmelzung von drei massereichen Galaxien beobachtet“, sagte Ni. „Jede der Galaxienmassen hat die zehnfache Masse unserer eigenen Milchstraße, und im Zentrum jeder Galaxie sitzt ein supermassives Schwarzes Loch. Unsere Ergebnisse zeigen die Möglichkeit, dass diese Quasar-Triplett-Systeme die Vorläufer dieser seltenen ultramassiven Schwarzen Löcher sind , nachdem diese Drillinge gravitativ interagieren und miteinander verschmelzen.“

Darüber hinaus werden neue Beobachtungen von Galaxien am kosmischen Mittag dazu beitragen, die Koaleszenz von supermassiven Schwarzen Löchern und die Entstehung der ultramassiven zu enthüllen. Jetzt rollen Daten vom James Webb Space Telescope (JWST) mit hochauflösenden Details der Galaxienmorphologien ein.

„Wir verfolgen ein Modell von Beobachtungen für JWST-Daten aus der Astrid-Simulation“, sagte Ni.

„Darüber hinaus wird uns das zukünftige weltraumgestützte NASA Laser Interferometer Space Antenna (LISA) Gravitationswellenobservatorium ein viel besseres Verständnis dafür vermitteln, wie diese massiven Schwarzen Löcher verschmelzen und/oder verschmelzen, zusammen mit der hierarchischen Struktur, Formation und der Galaxie Fusionen entlang der kosmischen Geschichte“, fügte sie hinzu. „Dies ist eine aufregende Zeit für Astrophysiker, und es ist gut, dass wir Simulationen haben können, um theoretische Vorhersagen für diese Beobachtungen zu ermöglichen.“

Nis Forschungsgruppe plant auch eine systematische Studie über die AGN-Beherbergung von Galaxien im Allgemeinen. „Sie sind ein sehr wichtiges wissenschaftliches Ziel für JWST, um die Morphologie der AGN-Gastgalaxien zu bestimmen und wie sie sich während des kosmischen Mittags von der breiten Population 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 den Beobachtungen zu treffen“, sagte Ni.