Lubang hitam supermasif adalah objek paling masif di alam semesta. Massanya bisa mencapai jutaan dan miliaran massa matahari. Simulasi superkomputer pada superkomputer Texas Advanced Computing Center (TACC) Frontera telah membantu astrofisikawan mengungkap asal usul lubang hitam supermasif yang terbentuk sekitar 11 miliar tahun lalu.

“Kami menemukan bahwa satu saluran pembentukan yang mungkin untuk lubang hitam supermasif berasal dari penggabungan intens galaksi masif yang kemungkinan besar terjadi di era ‘siang hari kosmik’,” kata Yuying Ni, seorang postdoctoral fellow di Smithsonian Institution for Astrophysics.

Ni adalah penulis utama dari karya yang diterbitkan di Surat Jurnal Astrofisika Pada Desember 2022, lubang hitam supermasif ditemukan terbentuk dari penggabungan quasar terner, sistem tiga inti galaksi yang diterangi oleh gas dan debu yang jatuh ke dalam lubang hitam supermasif yang mengintervensi.

Bekerja sama dengan data teleskop, simulasi komputasi membantu ahli astrofisika mengisi bagian yang hilang dari asal-usul bintang dan objek eksotis seperti lubang hitam.

Ini disebut sebagai salah satu simulasi kosmik terbesar hingga saat ini AstridDikembangkan bersama oleh Ni. Ini adalah simulasi terbesar dalam hal ukuran partikel, atau beban memori, di bidang simulasi pembentukan galaksi.

Dia menjelaskan bahwa “Tujuan ilmiah Astrid adalah untuk mempelajari pembentukan galaksi, penggabungan lubang hitam supermasif, dan reionisasi selama sejarah kosmik.” Astrid memodelkan volume besar alam semesta yang terbentang ratusan juta tahun cahaya, namun dia dapat memperbesar hingga resolusi sangat tinggi.

Dikembangkan oleh Ni Astrid menggunakan superkomputer Frontera dari Texas Advanced Computing Center (TACC), ini adalah superkomputer akademik paling kuat di Amerika Serikat.

Frontera adalah satu-satunya sistem yang kami lakukan [in] Astrid sejak hari pertama. Ini simulasi murni berdasarkan Frontera,” lanjut Ni.

Frontera ideal untuk simulasi Ni’s Astrid karena kemampuannya untuk mendukung aplikasi besar yang membutuhkan ribuan node komputasi dan sistem fisik prosesor dan memori individual yang digabungkan bersama untuk beberapa operasi komputasi tersulit dalam sains.

“Kami menggunakan 2048 node, maksimum yang diizinkan dalam antrean besar, untuk meluncurkan simulasi ini secara rutin. Ini hanya mungkin dilakukan pada superkomputer besar seperti Frontera,” kata Ni.

Temuan saya dari simulasi Astrid menunjukkan sesuatu yang sangat mencengangkan – pembentukan lubang hitam dapat mencapai batas atas teoritis 10 miliar massa matahari. “Ini tugas komputasi yang sangat sulit. Tapi Anda hanya bisa menangkap objek langka dan ekstrem ini dengan simulasi skala besar,” kata Ni.

“Apa yang kami temukan adalah tiga lubang hitam supermasif yang mengumpulkan massanya selama siang kosmik, yaitu waktu 11 miliar tahun yang lalu ketika pembentukan bintang, inti galaksi aktif (AGN) dan lubang hitam supermasif pada umumnya mencapai aktivitas puncaknya,” tambahnya. .

Sekitar setengah dari semua bintang di alam semesta lahir pada tengah hari kosmik. Bukti untuk hal ini berasal dari data multi-panjang gelombang dari beberapa survei galaksi seperti Great Observations Origins Deep Survey, di mana spektrum dari galaksi jauh menunjukkan usia bintangnya, sejarah pembentukan bintang, dan unsur kimia bintang di dalamnya.

“Di era ini, kami mendeteksi penggabungan tiga galaksi masif yang intens dan relatif cepat,” kata Ni. “Massa setiap galaksi adalah 10 kali lipat dari Bima Sakti kita, dan terdapat lubang hitam supermasif di pusat setiap galaksi. Temuan kami menunjukkan kemungkinan bahwa sistem triple quasar ini adalah nenek moyang dari lubang hitam supermasif yang langka tersebut. , setelah ketiganya berinteraksi, gaya gravitasi dan bergabung satu sama lain.

Selain itu, pengamatan baru galaksi di tengah hari kosmik akan membantu mengungkap penggabungan lubang hitam supermasif dan pembentukan lubang supermasif. Data sekarang mengalir dari James Webb Space Telescope (JWST), dengan detail bentuk galaksi beresolusi tinggi.

“Kami mengikuti model feedback dari data JWST dari simulasi Astrid,” kata Ni.

“Selain itu, Observatorium Laser Interferometer Space Telescope (LISA) NASA akan memberi kita pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana lubang hitam masif ini bergabung dan/atau bergabung, bersama dengan struktur hierarki, komposisi, dan penggabungan galaksi selama sejarah kosmik.” “Ini adalah waktu yang menyenangkan bagi astrofisikawan, dan ada baiknya kita memiliki simulasi untuk memungkinkan prediksi teoretis dari pengamatan tersebut.”

Kelompok riset Ni juga berencana untuk secara sistematis mempelajari host AGN galaksi secara umum. “Ini adalah tujuan sains yang sangat penting untuk JWST, karena menentukan seperti apa galaksi induk AGN dan bagaimana perbedaannya dibandingkan dengan populasi galaksi yang luas selama siang kosmik,” tambahnya.

“Sangat menyenangkan memiliki akses ke superkomputer, teknologi yang memungkinkan kita memodelkan petak alam semesta dengan sangat detail dan membuat prediksi dari pengamatan,” kata Ni.