罕見(jiàn)的類(lèi)星體三重態(tài)形成了宇宙中最大質(zhì)量的物體之一 _類(lèi)星體

Frontera上的超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬揭示了超大質(zhì)量黑洞的起源，超大質(zhì)量黑洞被認(rèn)為是整個(gè)宇宙中存在的最大質(zhì)量的物體。這里顯示的是Astrid模擬中以最大質(zhì)量類(lèi)星體(BH1)及其宿主星系環(huán)境為中心的類(lèi)星體三重態(tài)系統(tǒng) 。紅色和黃色的線在BH1的參考系中標(biāo)記了另外兩個(gè)類(lèi)星體(BH2和BH3)的軌跡，因?yàn)樗鼈兟菪M(jìn)入彼此并合并。Credit: DOI 10.3847/2041-8213/aca160
據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)（by University of Texas at Austin）：超大質(zhì)量黑洞是宇宙中質(zhì)量最大的物體。它們的質(zhì)量可以達(dá)到幾百萬(wàn)到幾十億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。德克薩斯高級(jí)計(jì)算中心(TACC)的Frontera超級(jí)計(jì)算機(jī)上的超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬幫助天體物理學(xué)家揭示了大約110億年前形成的超大質(zhì)量黑洞的起源。
“我們發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞的一個(gè)可能形成渠道是大質(zhì)量星系的極端合并，這最有可能發(fā)生在‘宇宙正午’時(shí)期，”哈佛-史密森天體物理中心的博士后研究員岳影·倪說(shuō) 。
倪是2022年12月發(fā)表在天體物理學(xué)雜志《快報(bào)》上的論文的第一作者，該論文發(fā)現(xiàn)了三重類(lèi)星體合并形成超大質(zhì)量黑洞，三重類(lèi)星體是由落入嵌套超大質(zhì)量黑洞的氣體和塵埃照亮的三個(gè)星系核心系統(tǒng) 。
計(jì)算機(jī)模擬與望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)攜手合作，幫助天體物理學(xué)家填補(bǔ)恒星和黑洞等奇異物體起源的缺失部分。
迄今為止最大的宇宙學(xué)模擬之一被稱(chēng)為Astrid，由Ni共同開(kāi)發(fā) 。這是星系形成模擬領(lǐng)域中最大的粒子或內(nèi)存負(fù)載模擬。
“Astrid的科學(xué)目標(biāo)是研究星系的形成，超大質(zhì)量黑洞的合并，以及宇宙歷史上的再電離， ”她解釋道。Astrid對(duì)跨越數(shù)億光年的大量宇宙進(jìn)行建模，但可以放大到非常高的分辨率。
Ni使用德克薩斯高級(jí)計(jì)算中心(TACC)的Frontera超級(jí)計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)了Astrid ，這是美國(guó)最強(qiáng)大的學(xué)術(shù)超級(jí)計(jì)算機(jī)
“Frontera是我們從一開(kāi)始就在Astrid中使用的唯一系統(tǒng) 。這是一個(gè)純粹的基于Frontera的模擬，”倪繼續(xù)說(shuō)道。
Frontera是Ni Astrid模擬的理想選擇，因?yàn)樗軌蛑С中枰獢?shù)千個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的大型應(yīng)用程序，這些節(jié)點(diǎn)是處理器和內(nèi)存的獨(dú)立物理系統(tǒng)，它們被組合在一起用于一些最復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算。
“我們使用了2，048個(gè)節(jié)點(diǎn)，這是大型隊(duì)列中允許的最大值，來(lái)啟動(dòng)例行模擬。這只有在像Frontera這樣的大型超級(jí)計(jì)算機(jī)上才有可能， ”倪說(shuō) 。
她在Astrid模擬中的發(fā)現(xiàn)顯示了一些完全令人難以置信的東西——黑洞的形成可以達(dá)到100億太陽(yáng)質(zhì)量的理論上限。“這是一項(xiàng)極具計(jì)算挑戰(zhàn)性的任務(wù) 。但你只能通過(guò)大容量模擬來(lái)捕捉這些罕見(jiàn)和極端的物體， ”倪說(shuō) 。
“我們發(fā)現(xiàn)的是三個(gè)超大質(zhì)量黑洞，它們?cè)谟钪嬲缇奂鼈兊馁|(zhì)量，這是110億年前恒星形成、活動(dòng)星系核(AGN)和超大質(zhì)量黑洞達(dá)到其活動(dòng)峰值的時(shí)候，”她補(bǔ)充道。
宇宙中大約一半的恒星誕生于宇宙正午。它的證據(jù)來(lái)自許多星系調(diào)查的多波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，如大天文臺(tái)起源深度調(diào)查，來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的光譜告訴它的恒星年齡，恒星形成歷史，以及內(nèi)部恒星的化學(xué)元素。
“在這個(gè)時(shí)期，我們發(fā)現(xiàn)了三個(gè)大質(zhì)量星系的極端和相對(duì)快速的合并， ”倪說(shuō) 。“每個(gè)星系的質(zhì)量都是我們銀河系的10倍，每個(gè)星系的中心都有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。我們的發(fā)現(xiàn)表明，這些類(lèi)星體三重態(tài)系統(tǒng)有可能是那些罕見(jiàn)的超大質(zhì)量黑洞的前身，在這些三重態(tài)相互引力作用并相互融合之后。”
此外，在宇宙正午對(duì)星系的新觀測(cè)將有助于揭示超大質(zhì)量黑洞的合并和超大質(zhì)量黑洞的形成。來(lái)自詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)的高分辨率星系形態(tài)細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)正在滾滾而來(lái) 。
“我們正在進(jìn)行Astrid模擬JWST數(shù)據(jù)的模擬觀測(cè)，”倪說(shuō) 。
“此外，未來(lái)基于太空的美國(guó)宇航局激光干涉儀空間天線(LISA)引力波天文臺(tái)將讓我們更好地了解這些大質(zhì)量黑洞如何合并和/或聚結(jié)，以及宇宙歷史上的層次結(jié)構(gòu)、形成和星系合并，”她補(bǔ)充道。“對(duì)于天體物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)令人興奮的時(shí)刻，很高興我們可以通過(guò)模擬對(duì)這些觀測(cè)進(jìn)行理論預(yù)測(cè) 。”
倪的研究小組還計(jì)劃對(duì)AGN星系進(jìn)行系統(tǒng)的研究。“對(duì)于JWST來(lái)說(shuō)，它們是一個(gè)非常重要的科學(xué)目標(biāo)，確定了AGN宿主星系的形態(tài)，以及它們與宇宙正午期間銀河系的廣泛人口相比有何不同，”她補(bǔ)充道。
倪說(shuō):“能夠使用超級(jí)計(jì)算機(jī)真是太好了，這種技術(shù)可以讓我們非常詳細(xì)地模擬宇宙的一部分，并根據(jù)觀察結(jié)果做出預(yù)測(cè) 。” 。

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