Trigêmeo de quasar raro forma um dos objetos mais massivos do universo

Simulações de supercomputador em Frontera revelam as origens de buracos negros ultramassivos, os objetos mais massivos que se pensa existirem em todo o universo. Aqui é mostrado o sistema de trigêmeos quasares centrado em torno do quasar mais massivo (BH1) e seu ambiente de galáxia hospedeira na simulação de Astrid. 

Simulações de supercomputador em Frontera revelam as origens de buracos negros ultramassivos, os objetos mais massivos que se pensa existirem em todo o universo. Aqui é mostrado o sistema de trigêmeos quasares centrado em torno do quasar mais massivo (BH1) e seu ambiente de galáxia hospedeira na simulação de Astrid. As linhas vermelha e amarela marcam as trajetórias dos outros dois quasares (BH2 e BH3) no quadro de referência de BH1, à medida que espiralam entre si e se fundem. Crédito: DOI 10.3847/2041-8213/aca160

As linhas vermelha e amarela marcam as trajetórias dos outros dois quasares (BH2 e BH3) no quadro de referência de BH1, à medida que espiralam entre si e se fundem. Crédito: DOI 10.3847/2041-8213/aca160. Buracos negros ultramassivos são os objetos mais massivos do universo. Sua massa pode atingir milhões e bilhões de massas solares.

Simulações de supercomputador no supercomputador Frontera do Texas Advanced Computing Center (TACC) ajudaram astrofísicos a revelar a origem de buracos negros ultramassivos formados há cerca de 11 bilhões de anos. 

“Descobrimos que um possível canal de formação para buracos negros ultramassivos é a partir da fusão extrema de galáxias massivas que têm maior probabilidade de acontecer na época do ‘meio-dia cósmico'”, disse Yueying Ni, pós-doutorando na Harvard- Centro Smithsoniano de Astrofísica.

Ni é o principal autor do trabalho publicado no The Astrophysical Journal Letters em dezembro de 2022, que encontrou a formação de buracos negros ultramassivos a partir da fusão de quasares triplos, sistemas de três núcleos galácticos iluminados por gás e poeira caindo em um buraco negro supermassivo aninhado. 

Trabalhando lado a lado com os dados do telescópio, as simulações computacionais ajudam os astrofísicos a preencher as peças que faltam sobre as origens das estrelas e objetos exóticos como buracos negros. 

Uma das maiores simulações cosmológicas até hoje é chamada Astrid, co-desenvolvida por Ni. É a maior simulação em termos de partícula, ou carga de memória no campo das simulações de formação de galáxias. 

“O objetivo científico de Astrid é estudar a formação de galáxias, a coalescência de buracos negros supermassivos e a reionização ao longo da história cósmica”, explicou ela. Astrid modela grandes volumes do cosmos abrangendo centenas de milhões de anos-luz, mas pode aumentar o zoom para uma resolução muito alta. 

Ni desenvolveu o Astrid usando o supercomputador Frontera do Texas Advanced Computing Center (TACC), o supercomputador acadêmico mais poderoso dos EUA. “Frontera é o único sistema que executamos [em] Astrid desde o primeiro dia. É uma pura simulação baseada em Frontera”, continuou Ni. 

O Frontera é ideal para as simulações Astrid da Ni por causa de sua capacidade de suportar grandes aplicativos que precisam de milhares de nós de computação, os sistemas físicos individuais de processadores e memória que são aproveitados juntos para alguns dos cálculos mais difíceis da ciência. 

“Usamos 2.048 nós, o máximo permitido na grande fila, para lançar esta simulação de forma rotineira. Só é possível em grandes supercomputadores como o Frontera”, disse Ni. 

Suas descobertas das simulações de Astrid mostram algo completamente incompreensível – a formação de buracos negros pode atingir um limite superior teórico de 10 bilhões de massas solares. “É uma tarefa computacional muito desafiadora. Mas você só pode capturar esses objetos raros e extremos com uma simulação de grande volume”, disse Ni. 

“O que descobrimos são três buracos negros ultramassivos que acumularam sua massa durante o meio-dia cósmico, o momento há 11 bilhões de anos, quando a formação estelar, os núcleos galácticos ativos (AGN) e os buracos negros supermassivos em geral atingem seu pico de atividade”, disse ela. adicionado. 

Cerca de metade de todas as estrelas do universo nasceram durante o meio-dia cósmico. A evidência disso vem de dados de vários comprimentos de onda de numerosas pesquisas de galáxias, como o Great Observatories Origins Deep Survey, onde os espectros de galáxias distantes falam sobre as idades de suas estrelas, sua história de formação estelar e os elementos químicos das estrelas dentro. 

“Nesta época, vimos uma fusão extrema e relativamente rápida de três galáxias massivas”, disse Ni. “Cada uma das massas da galáxia é 10 vezes a massa da nossa própria Via Láctea, e um buraco negro supermassivo fica no centro de cada galáxia. , depois que esses trigêmeos interagem gravitacionalmente e se fundem uns com os outros.”

Além disso, novas observações de galáxias ao meio-dia cósmico ajudarão a desvendar a coalescência de buracos negros supermassivos e a formação dos ultramassivos. Os dados estão chegando agora do Telescópio Espacial James Webb (James Webb), com detalhes de alta resolução das morfologias das galáxias. 

“Estamos buscando um modelo de observações para dados James Webb da simulação Astrid”, disse Ni. 

“Além disso, o futuro observatório espacial de ondas gravitacionais Laser Interferometer Space Antenna (LISA) da NASA nos dará uma compreensão muito melhor de como esses buracos negros maciços se fundem e/ou coalescem, juntamente com a estrutura hierárquica, a formação e a galáxia. fusões ao longo da história cósmica”, acrescentou. “Este é um momento emocionante para os astrofísicos, e é bom que possamos ter simulação para permitir previsões teóricas para essas observações”. 

O grupo de pesquisa de Ni também está planejando um estudo sistemático sobre a hospedagem AGN de galáxias em geral. “Eles são um alvo científico muito importante para o James Webb, determinando a morfologia das galáxias hospedeiras do AGN e como elas são diferentes em comparação com a ampla população da galáxia durante o meio-dia cósmico”, acrescentou ela. 

“É ótimo ter acesso a supercomputadores, tecnologia que nos permite modelar um pedaço do universo com grande detalhe e fazer previsões a partir das observações”, disse Ni.

Fonte: phys.org