Triplet Quasar Langka Membentuk Salah Satu Objek Paling Masif di Alam Semesta
 |
| Simulasi superkomputer di Frontera mengungkap asal-usul lubang hitam ultra-masif, objek paling masif yang diperkirakan ada di seluruh alam semesta. Ditampilkan di sini adalah sistem triplet quasar yang berpusat di sekitar quasar paling masif (BH1) dan lingkungan galaksi induknya pada simulasi Astrid. Garis merah dan kuning menandai lintasan dua quasar lainnya (BH2 dan BH3) dalam kerangka referensi BH1, saat mereka saling berpilin dan bergabung. |
“Kami menemukan bahwa satu saluran pembentukan yang mungkin untuk lubang hitam ultra-masif berasal dari penggabungan ekstrem galaksi-galaksi masif yang paling mungkin terjadi pada zaman 'tengah hari kosmik',” kata Yueying Ni, seorang postdoctoral fellow di Harvard– Pusat Smithsonian untuk Astrofisika.
Ni adalah penulis utama karya yang diterbitkan dalam The Astrophysical Journal Letters pada Desember 2022 yang menemukan formasi lubang hitam ultra-masif dari penggabungan tiga quasar, sistem tiga inti galaksi yang diterangi oleh gas dan debu yang jatuh ke dalam sarang lubang hitam supermasif.
Bekerja bahu-membahu dengan data teleskop, simulasi komputasi membantu ahli astrofisika mengisi potongan-potongan yang hilang tentang asal-usul bintang dan objek eksotis seperti lubang hitam.
Salah satu simulasi kosmologi terbesar hingga saat ini disebut Astrid, dikembangkan bersama oleh Ni. Ini adalah simulasi terbesar dalam hal partikel, atau beban memori di bidang simulasi pembentukan galaksi.
“Tujuan sains Astrid adalah untuk mempelajari pembentukan galaksi, penggabungan lubang hitam supermasif, dan ionisasi ulang dalam sejarah kosmik,” jelasnya. Astrid memodelkan volume besar kosmos yang mencakup ratusan juta tahun cahaya, namun dapat memperbesar hingga resolusi sangat tinggi.
Ni mengembangkan Astrid menggunakan superkomputer Frontera dari Texas Advanced Computing Center (TACC), superkomputer akademik paling canggih di AS
"Frontera adalah satu-satunya sistem yang kami tampilkan [di] Astrid sejak hari pertama. Ini murni simulasi berbasis Frontera," lanjut Ni.
Frontera sangat ideal untuk simulasi Ni's Astrid karena kemampuannya untuk mendukung aplikasi besar yang membutuhkan ribuan node komputasi, sistem fisik prosesor dan memori individual yang dimanfaatkan bersama untuk beberapa komputasi sains terberat.
"Kami menggunakan 2.048 node, jumlah maksimum yang diperbolehkan dalam antrean besar, untuk meluncurkan simulasi ini secara rutin. Ini hanya mungkin dilakukan di superkomputer besar seperti Frontera," kata Ni.
Temuannya dari simulasi Astrid menunjukkan sesuatu yang benar-benar mencengangkan—pembentukan lubang hitam dapat mencapai batas atas teoretis sebesar 10 miliar massa matahari. “Ini adalah tugas yang sangat menantang secara komputasional. Tetapi Anda hanya dapat menangkap objek langka dan ekstrem ini dengan simulasi volume besar,” kata Ni.
"Apa yang kami temukan adalah tiga lubang hitam ultra-masif yang mengumpulkan massanya selama siang kosmik, waktu 11 miliar tahun yang lalu ketika pembentukan bintang, inti galaksi aktif (AGN), dan lubang hitam supermasif pada umumnya mencapai aktivitas puncaknya," dia ditambahkan.
Sekitar setengah dari semua bintang di alam semesta lahir pada tengah hari kosmik. Bukti untuk itu berasal dari data multi panjang gelombang dari banyak survei galaksi seperti Great Observatories Origins Deep Survey, di mana spektrum dari galaksi jauh menceritakan tentang usia bintangnya, sejarah pembentukan bintangnya, dan unsur kimia bintang di dalamnya.
"Pada zaman ini kami melihat penggabungan tiga galaksi masif yang ekstrim dan relatif cepat," kata Ni. "Masing-masing massa galaksi adalah 10 kali massa Bima Sakti kita sendiri, dan sebuah lubang hitam supermasif berada di pusat setiap galaksi. Temuan kami menunjukkan kemungkinan bahwa sistem triplet quasar ini adalah nenek moyang dari lubang hitam ultra-masif yang langka itu., setelah kembar tiga itu berinteraksi secara gravitasi dan bergabung satu sama lain."
Terlebih lagi, pengamatan baru galaksi pada siang hari kosmik akan membantu mengungkap penggabungan lubang hitam supermasif dan pembentukan lubang hitam ultra-masif. Data bergulir sekarang dari James Webb Space Telescope (JWST), dengan detail resolusi tinggi dari morfologi galaksi. "Kami sedang mengejar model pengamatan untuk data JWST dari simulasi Astrid," kata Ni.
"Selain itu, observatorium gelombang gravitasi NASA Laser Interferometer Space Antenna (LISA) berbasis ruang angkasa di masa depan akan memberi kita pemahaman yang jauh lebih baik tentang bagaimana lubang hitam masif ini bergabung dan/atau menyatu, bersama dengan struktur hierarkis, formasi, dan galaksi penggabungan sepanjang sejarah kosmik," tambahnya. "Ini adalah waktu yang menyenangkan bagi astrofisikawan, dan bagus bahwa kita dapat melakukan simulasi untuk memungkinkan prediksi teoretis untuk pengamatan tersebut."
Kelompok riset Ni juga merencanakan studi sistematis tentang hosting galaksi AGN secara umum. "Mereka adalah target sains yang sangat penting untuk JWST, menentukan morfologi galaksi induk AGN dan bagaimana mereka berbeda dibandingkan dengan populasi galaksi yang luas selama siang kosmik," tambahnya.
"Sangat menyenangkan memiliki akses ke superkomputer, teknologi yang memungkinkan kita untuk memodelkan sepetak alam semesta dengan sangat detail dan membuat prediksi dari pengamatan," kata Ni.
Referensi jurnal: Yueying Ni et al, Ultramassive Black Holes Formed by Triple Quasar Mergers at z ∼ 2, The Astrophysical Journal Letters (2022). DOI: 10.3847/2041-8213/aca160
