Raro triplete de cuásares forma uno de los objetos más masivos del Universo
Por la Universidad de Texas en Austin
01 de marzo de 2023.
Las simulaciones de supercomputadoras en Frontera revelan los orígenes de los agujeros negros ultramasivos, los objetos más masivos que se cree que existen en todo el Universo. Aquí se muestra el sistema de triplete de cuásar centrado alrededor del cuásar más masivo (BH1) y su entorno de galaxia anfitriona en la simulación de Astrid. Las líneas rojas y amarillas marcan las trayectorias de los otros dos cuásares (BH2 y BH3) en el marco de referencia de BH1, a medida que giran en espiral y se fusionan. Crédito: DOI 10.3847/2041-8213/aca160.
Los agujeros negros ultramasivos son los objetos más masivos del Universo. Su masa puede alcanzar millones y miles de millones de masas solares. Las simulaciones de supercomputadoras en la supercomputadora Frontera del Texas Advanced Computing Center (TACC) han ayudado a los astrofísicos a revelar el origen de los agujeros negros ultramasivos formados hace unos 11 mil millones de años.
"Descubrimos que un posible canal de formación para los agujeros negros ultramasivos es la fusión extrema de galaxias masivas que es más probable que suceda en la época del 'mediodía cósmico'", dijo Yueying Ni, becaria postdoctoral en la Universidad de Harvard, Centro Smithsonian de Astrofísica.
Ni es el autora principal del trabajo publicado en The Astrophysical Journal Letters en diciembre de 2022 que encontró la formación de agujeros negros ultramasivos a partir de la fusión de cuásares triples, sistemas de tres núcleos galácticos iluminados por gas y polvo que caen en un agujero negro supermasivo anidado.
Trabajando de la mano con los datos del telescopio, las simulaciones computacionales ayudan a los astrofísicos a completar las piezas faltantes sobre los orígenes de las estrellas y objetos exóticos como los agujeros negros.
Una de las simulaciones cosmológicas más grandes hasta la fecha se llama Astrid, desarrollada conjuntamente por Ni. Es la simulación más grande en términos de partículas o carga de memoria en el campo de las simulaciones de formación de galaxias.
"El objetivo científico de Astrid es estudiar la formación de galaxias, la coalescencia de los agujeros negros supermasivos y la reionización a lo largo de la historia cósmica", explicó. Astrid modela grandes volúmenes del cosmos que abarcan cientos de millones de años luz, pero puede acercarse a una resolución muy alta.
Ni desarrolló Astrid utilizando la supercomputadora Frontera del Texas Advanced Computing Center (TACC), la supercomputadora académica más poderosa de los EE. UU.
"Frontera es el único sistema en donde realizamos Astrid desde el primer día. Es una simulación puramente basada en Frontera", continuó Ni.
Frontera es ideal para las simulaciones Astrid de Ni debido a su capacidad para soportar grandes aplicaciones que necesitan miles de nodos de cómputo, los sistemas físicos individuales de procesadores y memoria que se aprovechan juntos para algunos de los cómputos más difíciles de la ciencia.
"Usamos 2.048 nodos, el máximo permitido en la cola grande, para lanzar esta simulación de forma rutinaria. Solo es posible en supercomputadoras grandes como Frontera", dijo Ni.
Sus hallazgos de las simulaciones de Astrid muestran algo completamente alucinante: la formación de agujeros negros puede alcanzar un límite superior teórico de 10 mil millones de masas solares. "Es una tarea muy desafiante desde el punto de vista computacional. Pero solo puedes capturar estos objetos raros y extremos con una simulación de gran volumen", dijo Ni.
"Lo que encontramos son tres agujeros negros ultramasivos que reunieron su masa durante el mediodía cósmico, el momento hace 11 mil millones de años cuando la formación de estrellas, los núcleos galácticos activos (AGN) y los agujeros negros supermasivos en general alcanzan su actividad máxima", dijo.
Aproximadamente la mitad de todas las estrellas del Universo nacieron durante el mediodía cósmico. La evidencia de esto proviene de datos de múltiples longitudes de onda de numerosos estudios de galaxias, como el Estudio Profundo de Orígenes de los Grandes Observatorios, donde los espectros de galaxias distantes informan sobre las edades de sus estrellas, su historia de formación estelar y los elementos químicos de las estrellas en su interior.
"En esta época detectamos una fusión extrema y relativamente rápida de tres galaxias masivas", dijo Ni. "Cada una de las masas de las galaxias tiene 10 veces la masa de nuestra Vía Láctea, y un agujero negro supermasivo se encuentra en el centro de cada galaxia. Nuestros hallazgos muestran la posibilidad de que estos sistemas de tripletes de cuásares sean los progenitores de esos raros agujeros negros ultramasivos", después de que esos trillizos interactúen gravitacionalmente y se fusionen entre sí".
Además, las nuevas observaciones de galaxias en el mediodía cósmico ayudarán a revelar la coalescencia de los agujeros negros supermasivos y la formación de los ultramasivos. Los datos están llegando ahora desde el Telescopio Espacial James Webb (JWST), con detalles de alta resolución de las morfologías de las galaxias.
"Estamos buscando una maqueta de las observaciones de los datos JWST de la simulación de Astrid", dijo Ni.
"Además, el futuro observatorio de ondas gravitacionales de la NASA con interferómetro láser espacial (LISA) nos dará una mejor comprensión de cómo estos agujeros negros masivos se fusionan y/o coalescen, junto con la estructura jerárquica, la formación y la galaxia. fusiones a lo largo de la historia cósmica", agregó. "Este es un momento emocionante para los astrofísicos, y es bueno que podamos tener simulación para permitir predicciones teóricas para esas observaciones".
El grupo de investigación de Ni también está planeando un estudio sistemático sobre el alojamiento AGN de galaxias en general. "Son un objetivo científico muy importante para JWST, ya que determinan la morfología de las galaxias anfitrionas AGN y cómo son diferentes en comparación con la amplia población de la galaxia durante el mediodía cósmico", agregó.
"Es genial tener acceso a las supercomputadoras, tecnología que nos permite modelar una parte del Universo con gran detalle y hacer predicciones a partir de las observaciones", dijo Ni.
Fuente:
https://phys.org/news/2023-03-rare-quasar-triplet-massive-universe.html