Des simulations de superordinateurs sur Frontera révèlent les origines des trous noirs ultra-massifs, les objets les plus massifs supposés exister dans tout l’univers. Voici le système de triplet de quasars centré autour du quasar le plus massif (BH1) et de son environnement de galaxie hôte sur la simulation Astrid. Les lignes rouges et jaunes marquent les trajectoires des deux autres quasars (BH2 et BH3) dans le cadre de référence de BH1, alors qu’ils s’enroulent l’un dans l’autre et fusionnent. Crédit : Yueying Ni et al.
La simulation cosmologique ASTRID, une simulation massive exécutée sur le supercalculateur Frontera de TACC, aide à l’étude des trous noirs ultra-massifs.
Les trous noirs ultra-massifs sont les entités les plus lourdes du cosmos, certains pesant des millions, voire des milliards de fois la masse du Soleil. Grâce à des simulations exécutées sur le supercalculateur Frontera du TACC, les astrophysiciens ont pu mieux comprendre l’origine de ces trous noirs géants, qui se sont formés il y a environ 11 milliards d’années.
“Nous avons découvert qu’un canal de formation possible pour les trous noirs ultra-massifs provient de la fusion extrême de galaxies massives qui sont les plus susceptibles de se produire à l’époque du” midi cosmique “, a déclaré Yueying Ni, chercheur postdoctoral au Harvard-Smithsonian. Centre d’Astrophysique.
Ni est l’auteur principal d’ouvrages publiés dans Le
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>Journald’astrophysique[{“attribute=””>AstrophysicalJournal qui a trouvé ultra-massif
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>trounoir[{“attribute=””>blackhole formation issue de la fusion de triples quasars, systèmes de trois noyaux galactiques illuminés par du gaz et de la poussière tombant dans un trou noir supermassif imbriqué.
Travaillant main dans la main avec les données des télescopes, les simulations informatiques aident les astrophysiciens à combler les lacunes sur les origines des étoiles et des objets exotiques comme les trous noirs.
L’une des plus grandes simulations cosmologiques à ce jour s’appelle Astrid, co-développé par Ni. C’est la plus grande simulation en termes de particule ou de charge mémoire dans le domaine des simulations de formation de galaxies.
“L’objectif scientifique d’Astrid est d’étudier la formation des galaxies, la coalescence des trous noirs supermassifs et la réionisation au cours de l’histoire cosmique”, a-t-elle expliqué. Astrid modélise de grands volumes du cosmos couvrant des centaines de millions d’années-lumière, mais peut zoomer à très haute résolution.
L’auteur principal de l’étude, Yueying Ni, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, présente à la réunion des utilisateurs de Frontera 2022, Texas Advanced Computing Center. Crédit : TACC
Ni a développé Astrid à l’aide du supercalculateur Frontera du Texas Advanced Computing Center (TACC), le supercalculateur universitaire le plus puissant des États-Unis, financé par la National Science Foundation (NSF).
« Frontera est le seul système que nous ayons réalisé avec Astrid dès le premier jour. C’est une pure simulation basée sur Frontera », a poursuivi Ni.
Frontera est idéal pour les simulations Astrid de Ni en raison de sa capacité à prendre en charge de grandes applications qui nécessitent des milliers de nœuds de calcul, les systèmes physiques individuels de processeurs et de mémoire qui sont exploités ensemble pour certains des calculs les plus difficiles de la science.
« Nous avons utilisé 2 048 nœuds, le maximum autorisé dans la grande file d’attente, pour lancer cette simulation de façon routinière. Ce n’est possible que sur de grands supercalculateurs comme Frontera », a déclaré Ni.
Ses découvertes des simulations d’Astrid montrent quelque chose de complètement ahurissant – la formation de trous noirs peut atteindre une limite supérieure théorique de 10 milliards de masses solaires. « C’est une tâche très exigeante sur le plan informatique. Mais vous ne pouvez attraper ces objets rares et extrêmes qu’avec une simulation à grand volume », a déclaré Ni.
“Ce que nous avons trouvé, ce sont trois trous noirs ultra-massifs qui ont assemblé leur masse au cours de la midi cosmiquel’époque, il y a 11 milliards d’années, où la formation d’étoiles, les noyaux galactiques actifs (AGN) et les trous noirs supermassifs, en général, atteignent leur pic d’activité », a-t-elle ajouté.
Environ la moitié de toutes les étoiles de l’univers sont nées pendant le midi cosmique. La preuve en est tirée des données multi-longueurs d’onde de nombreuses enquêtes sur les galaxies telles que le Great Observatories Origins Deep Survey, où les spectres de galaxies lointaines racontent l’âge de ses étoiles, son histoire de formation d’étoiles et les éléments chimiques des étoiles à l’intérieur.
« À cette époque, nous avons repéré une fusion extrême et relativement rapide de trois galaxies massives », a déclaré Ni. “Chacune des masses de la galaxie est 10 fois la masse de la nôtre
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>Voielactée[{“attribute=””>MilkyWay, et un trou noir supermassif se trouve au centre de chaque galaxie. Nos découvertes montrent la possibilité que ces systèmes de triplets de quasars soient l’ancêtre de ces rares trous noirs ultra-massifs après que ces triplets interagissent gravitationnellement et fusionnent les uns avec les autres.
De plus, de nouvelles observations de galaxies à midi cosmique permettront de dévoiler la coalescence des trous noirs supermassifs et la formation des ultra-massifs. Les données arrivent maintenant à partir du
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>TélescopespatialJamesWebb[{“attribute=””>JamesWebbSpaceTelescope (JWST), avec des détails haute résolution des morphologies des galaxies.
“Nous poursuivons une maquette d’observations pour les données JWST de la simulation Astrid”, a déclaré Ni.
« Par ailleurs, le futur spatial
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribut=””>NASA[{“attribute=””>NASAL’observatoire d’ondes gravitationnelles de l’antenne spatiale à interféromètre laser (LISA) nous permettra de mieux comprendre comment ces trous noirs massifs fusionnent et/ou coalescence, ainsi que la structure hiérarchique, la formation et les fusions de galaxies au cours de l’histoire cosmique », a-t-elle ajouté. “C’est une période passionnante pour les astrophysiciens, et c’est bien que nous puissions avoir une simulation pour permettre des prédictions théoriques pour ces observations.”
Le groupe de recherche de Ni prévoit également une étude systématique de l’hébergement AGN des galaxies en général. “Ils sont une cible scientifique très importante pour JWST, déterminant la morphologie des galaxies hôtes AGN et comment elles sont différentes par rapport à la large population de la galaxie pendant le midi cosmique”, a-t-elle ajouté.
“C’est formidable d’avoir accès à des superordinateurs, une technologie qui nous permet de modéliser une partie de l’univers de manière très détaillée et de faire des prédictions à partir des observations”, a déclaré Ni.
Référence : “Ultramassive Black Holes Formed by Triple Quasar Mergers at z ∼ 2” par Yueying Ni, Tiziana Di Matteo, Nianyi Chen, Rupert Croft et Simeon Bird, 30 novembre 2022, Le
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DOI : 10.3847/2041-8213/aca160
L’étude a été financée par la National Science Foundation et la National Aeronautics and Space Administration.
