超大质量黑洞是宇宙中质量最大的物体。它们的质量可以达到数百万和数十亿的太阳质量。TACC的Frontera超级计算机上的超级计算机模拟帮助天体物理学家揭示了大约11亿年前形成的超大质量黑洞的起源。

“我们发现超大质量黑洞的一个可能的形成通道是来自最有可能发生在'宇宙正午'时代的大质量星系的极端合并，”哈佛 - 史密松天体物理中心的博士后研究员Yueying Ni说。

Ni是发表在《天体物理学杂志》上的工作的主要作者，该工作发现超大质量黑洞是由三类星体合并形成的，三类星体是由三个银河系核心组成的系统，由气体和尘埃照射到嵌套的超大质量黑洞中。

计算模拟与望远镜数据携手合作，帮助天体物理学家填补恒星和黑洞等奇异物体起源的缺失部分。

迄今为止最大的宇宙学模拟之一被称为Astrid，由Ni共同开发。就粒子或星系形成模拟领域的内存负载而言，这是最大的模拟。

“阿斯特丽德的科学目标是研究星系形成，超大质量黑洞的合并以及宇宙历史的再电离，”她解释说。阿斯特丽德模拟了跨越数亿光年的大量宇宙，但可以放大到非常高的分辨率。

Ni使用德克萨斯高级计算中心(TACC)的Frontera超级计算机开发了Astrid，这是美国最强大的学术超级计算机，由美国国家科学基金会(NSF)资助。

“Frontera是我们从第一天起就执行Astrid的唯一系统。这是一个纯粹的基于Frontera的模拟，“Ni继续说道。

Frontera是Ni的Astrid模拟的理想选择，因为它能够支持需要数千个计算节点的大型应用程序，处理器和内存的单个物理系统，这些系统被利用在一起进行一些科学中最困难的计算。

“我们使用了 2，048 个节点(大型队列中允许的最大值)来例行启动此模拟。这只有在像Frontera这样的大型超级计算机上才有可能，“Ni说。

她从阿斯特丽德模拟中发现的东西完全令人难以置信 - 黑洞的形成可以达到10亿太阳质量的理论上限。“这是一项非常具有挑战性的计算任务。但你只能通过大体积模拟来捕捉这些稀有和极端的物体，“倪说。

“我们发现的是三个超大质量黑洞，它们在宇宙中午聚集了它们的质量，11亿年前恒星形成，活跃星系核(AGN)和超大质量黑洞通常达到顶峰活动，”她补充说。

宇宙中大约一半的恒星是在宇宙正午出生的。它的证据来自许多星系调查的多波长数据，例如大天文台起源深度调查，来自遥远星系的光谱讲述了其恒星的年龄，恒星形成历史以及内部恒星的化学元素。

“在这个时代，我们发现了三个大质量星系的极端和相对快速的合并，”Ni说。“每个星系的质量都是我们银河系质量的10倍，每个星系的中心都有一个超大质量黑洞。我们的研究结果表明，这些类星体三重系统有可能是那些罕见的超大质量黑洞的祖先，在这些三胞胎引力相互作用并相互融合之后。

此外，在宇宙中午对星系的新观测将有助于揭示超大质量黑洞的合并和超大质量黑洞的形成。现在来自詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)的数据正在滚动，具有星系形态的高分辨率细节。

“我们正在对来自Astrid模拟的JWST数据进行观察模型，”Ni说。

“此外，未来的天基NASA激光干涉仪空间天线(LISA)引力波天文台将让我们更好地了解这些大质量黑洞如何合并和/或合并，以及沿着宇宙历史的层次结构，形成和星系合并，”她补充说。“对于天体物理学家来说，这是一个激动人心的时刻，我们可以进行模拟，以便对这些观测进行理论预测，这是件好事。

倪的研究小组还计划对星系的AGN宿主进行系统研究。“它们是JWST的一个非常重要的科学目标，决定了AGN宿主星系的形态，以及它们与宇宙中午银河系的广泛种群相比有何不同，”她补充说。

“能够使用超级计算机真是太好了，这项技术使我们能够非常详细地模拟宇宙的一片，并根据观测结果做出预测。