Simulaciones con el superordenador académico más potente de EEUU han ayudado a un grupo de astrofísicos a desvelar el origen de los agujeros negros ultramasivos formados hace 11.000 millones de años.
“Descubrimos que un posible canal de formación de agujeros negros ultramasivos es a partir de la fusión extrema de galaxias masivas que es más probable que ocurra en la época del ‘mediodía cósmico'”, dijo Yueying Ni, becaria postdoctoral en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica.
Ni es el autor principal de un trabajo publicado en The Astrophysical Journal Letters en diciembre de 2022 que descubrió la formación de agujeros negros ultramasivos -con miles de millones de masas solares- 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.
Al trabajar codo con codo con los datos de los telescopios, las simulaciones computacionales ayudan a los astrofísicos a completar las piezas que faltan sobre los orígenes de las estrellas y objetos exóticos como los agujeros negros.
Una de las mayores simulaciones cosmológicas realizadas hasta la fecha se llama Astrid y ha sido desarrollada por Ni. Es la mayor simulación en términos de carga de partículas o 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 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 ampliarlos con una resolución muy alta.
Ni desarrolló Astrid utilizando el superordenador Frontera del Texas Advanced Computing Center (TACC), el superordenador académico más potente de Estados Unidos.
“Frontera es el único sistema que utilizamos [en] Astrid desde el primer día. Es una simulación basada puramente en Frontera”, continúa Ni. Frontera es ideal para las simulaciones Astrid de Ni por su capacidad para soportar grandes aplicaciones que necesitan miles de nodos de cálculo, los sistemas físicos individuales de procesadores y memoria que se aprovechan juntos para algunos de los cálculos más difíciles de la ciencia.
“Utilizamos 2.048 nodos, el máximo permitido en la cola grande, para lanzar esta simulación de forma rutinaria. Sólo es posible en grandes superordenadores como Frontera”, afirma Ni.
Sus conclusiones de las simulaciones Astrid muestran algo completamente alucinante: la formación de agujeros negros puede alcanzar un límite superior teórico de 10.000 millones de masas solares. “Es una tarea muy difícil desde el punto de vista computacional. Pero sólo se pueden captar estos objetos raros y extremos con una simulación de gran volumen”, explica Ni.
“Lo que encontramos son tres agujeros negros ultramasivos que reunieron su masa durante el mediodía cósmico, la época de hace 11.000 millones de años en la que la formación estelar, los núcleos galácticos activos (AGN) y los agujeros negros supermasivos en general alcanzan su máxima actividad”, añadió.
Aproximadamente la mitad de todas las estrellas del universo nacieron durante el mediodía cósmico. Las pruebas de ello proceden de los datos de múltiples longitudes de onda de numerosos sondeos de galaxias, como el Great Observatories Origins Deep Survey, en el que los espectros de galaxias lejanas informan sobre las edades de sus estrellas, su historia de formación estelar y los elementos químicos de las estrellas que contienen.
“En esta época hemos detectado una fusión extrema y relativamente rápida de tres galaxias masivas”, explica Ni. “Cada una de las masas de las galaxias es 10 veces la masa de nuestra Vía Láctea, y un agujero negro supermasivo se asienta 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 tripletes interactúen gravitatoriamente y se fus …
Además, las nuevas observaciones de galaxias en el mediodía cósmico ayudarán a desvelar la coalescencia de los agujeros negros supermasivos y la formación de los ultramasivos. Ya están llegando datos del telescopio espacial James Webb (JWST), con detalles de alta resolución de las morfologías de las galaxias.
“Estamos realizando una maqueta de observaciones para los datos del JWST a partir de la simulación Astrid”, explica Ni. “Además, el futuro observatorio de ondas gravitacionales LISA (Laser Interferometer Space Antenna) de la NASA, basado en el espacio, nos permitirá comprender mucho mejor cómo se fusionan y/o coalescen estos agujeros negros masivos, junto con la estructura jerárquica, la formación y las fusiones de galaxias a lo largo de la historia cósmica”, añadió. “Es un momento apa …
El grupo de investigación de Ni también está planeando un estudio sistemático del alojamiento de AGN en las galaxias en general. “Son un objetivo científico muy importante para JWST, ya que determinan la morfología de las galaxias que albergan AGN y cómo son diferentes en comparación con la población general de la galaxia durante el mediodía cósmico”, añadió.
EP
