科學家們利用全球最強大的超級計算機 Frontier 來探索星系團如何調節來自超大質量黑洞的巨大能量。這項突破性研究提供了迄今為止最清晰的圖像，顯示這些宇宙巨人如何在數十億年內生存而不會崩潰。超大質量黑洞的質量是太陽的數十億倍，這些黑洞驅動著被稱為活動星系核的炫目引擎。這些星系核向周圍環境噴射熱量、塵埃和氣體，有些在明亮的吸積盤中旋轉，而有些則逃逸至星系邊緣以外。
在密歇根州立大學的計算天體物理學家布萊恩·奧謝（Brian O’Shea）表示，這項研究的主要目的是了解這些星系如何在宇宙的漫長歷史中自我調節。為了進行這項測試，研究人員模擬了一個質量達到十億個太陽的黑洞，位於一個質量達到一千兆個太陽的星系團中心，這是銀河系質量的千倍。他們對這個系統的演化進行了數十億年的建模，跟踪黑洞噴流活動的周期。德國漢堡天文台的計算天體物理學家菲利普·格雷特（Philipp Grete）表示，這些噴流的速度極快，因此即使是在 Frontier 的強大計算能力下，他們也不得不在模擬中將其速度人為限制到光速的約 5%。這樣的模擬仍然需要大約 200 萬步才能完成。
這個項目需要 70 萬個節點小時，並使用超過 17,000 個 GPU，利用開源的天體物理代碼 AthenaPK。沒有其他計算機能夠處理這項工作的規模和細節。格雷特指出，長期以來，科學界一直在探討這些系統是否能在數十億年內保持穩定，而進行這樣的模擬只有在擁有足夠的內存和存儲空間的機器上才有可能，還必須具備足夠的 GPU 計算能力以實現快速的計算迭代。
Frontier 的速度達到每秒兩 quintillion 次計算（2 exaflops），揭示了環繞星系團的氣體絲狀結構的新細節。這些絲狀結構在實際的星系團中，如佩爾西烏斯（Perseus）星系團中已被觀察到，但之前從未在模擬中重現過。奧謝表示，這是首個能夠重現這一現象的研究，過去其形成一直是個謎，但現在已經了解其形成過程：是由這些冷氣體與高達 1 億開爾文的熱星際等離子體相互作用所產生的湍流及其周圍的磁場所驅動。
研究結果表明，星系團依賴於磁場來調節能量並保持穩定。研究團隊希望通過納入更多的物理學特徵來擴展這項工作，包括宇宙射線和等離子體效應。奧謝指出，隨著對這些現象理解的加深，可能會發現一些不僅適用於星系團的課題，還可能適用於超新星以及在聚變托卡馬克中出現的湍流。這項研究的成果已發表在《天體物理學雜誌》上。
