Ny forskning bygger bro mellem skaleringskløften mellem astrofysik og kosmologi

I deres respektive bestræbelser på at forstå universet og alt det omfatter, der er en sigende kløft mellem, hvad kosmologer og astrofysikere studerer, og hvordan de studerer det:skala. Kosmologer fokuserer typisk på universets egenskaber i stor skala som helhed, såsom galakser og intergalaktisk medium; mens astrofysikere er mere interesserede i at teste fysiske teorier om små til mellemstore objekter, såsom stjerner, supernovaer og interstellart medium.

Og alligevel er de to felter tættere på linje, end det kan se ud ved første øjekast, især når man ser på, hvordan det tidlige univers blev dannet.

"De første supernovaer er særligt interessante ikke kun for folk, der studerer stjerner, men også dem, der laver kosmologi, " sagde Ken Chen, en astrofysiker ved East Asian Core Observatories Association (EACOA) og hovedforfatter på et papir i The Astrofysisk tidsskrift der undersøger, hvordan de første supernovaer påvirkede stjernedannelsen og, sammen med det, universets udvikling. "De første stjerner var meget massive, og supernovaerne, der kom fra disse første stjerner, var også kilden til de fleste af de tunge grundstoffer i det periodiske system. For kosmologer, disse metaller er meget vigtige, fordi de gav afkøling og ændrede masseskalaen af ​​stjernedannelsen, som også bestemte udseendet af galakser senere."

Til denne undersøgelse, Chen og kolleger fra Portsmouth University og Universität Heidelberg kørte simuleringer på Edison-supercomputeren ved Lawrence Berkeley National Laboratorys National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) for at illustrere, hvordan tungmetaller, der blev udstødt fra eksploderende supernovaer, hjalp de første stjerner i universet med at regulere den efterfølgende stjernedannelse. Ideen var at tage Chens tidligere supernovaforskning og udvide den til kosmologi. NERSC er en DOE Office of Science User Facility.

"Vi ønskede at forstå døden af ​​de massive stjerner i det tidlige univers - supernovaerne - og hvordan deres eksplosioner senere påvirkede stjernedannelsen i universet, " sagde Chen. "Der er mange scenarier, hvor tunge grundstoffer fra de første supernovaer blev optaget til andengenerationsstjerner, men kosmologiske simuleringer modellerer dem på de største skalaer. Kosmologer har en tendens til at ønske at se dannelsen af ​​galakser eller kosmiske strukturer. Men i den slags simuleringer er du ikke i stand til at løse de små detaljer, de fine strukturer af, hvordan supernovaerne faktisk påvirker den omgivende gas og ændrer stjernedannelsen."

Dark Matter Halo Photoevaporation

Så han og hans samarbejdspartnere kørte i lille skala, højopløsningssimuleringer af den kemiske berigelse af en mørk stof-halo via metaller fra en nærliggende supernovaeksplosion efter delvis fordampning af stamstjernen. Holdet brugte flere hundrede tusinde regnetimer på NERSC til at producere en række 2-D- og 3-D-simuleringer, der hjalp dem med at undersøge rollen af ​​mørkt stof-halo-fotofordampning - hvor energisk stråling ioniserer gas og får den til at sprede sig væk fra haloen - spillede ikke kun i den tidlige dannelse af stjerner, men også samlingen af ​​senere galakser.

"I det tidlige univers, stjernerne var massive og strålingen de udsendte var meget stærk, Chen forklarede. "Så hvis du har denne stråling, før den stjerne eksploderer og bliver en supernova, strålingen har allerede forårsaget betydelig skade på gassen omkring stjernens glorie."

Den delvise fordampning af haloen før eksplosionen er afgørende for dens senere berigelse af supernovaen, understregede han. Ud over, hvordan metallerne udstødt fra eksplosionen blandes med haloen er afgørende for at forudsige mængden af ​​metaller i en andengenerationsstjerne, som påvirker størrelsen og massen af ​​disse stjerner og, dermed, galaksens sammensætning. Men tidligere kosmologiske undersøgelser har ikke forbundet prikkerne mellem stjernedannelse og galaksedannelse i denne form for detaljer, Chen bemærkede. Det var det, der fik forskerne til at bruge en multi-skala, multi-fysisk tilgang, anvender to forskellige koder:ZEUS-MP, som har den strålingstransport, der kræves til at fordampe haloen, og CASTRO, som blev udviklet på Berkeley Lab og har den adaptive mesh-forfining, der er nødvendig for at løse kollisionen mellem det udstødte metal og haloen.

"De tekniske detaljer og forskellige fysik gør disse simuleringer meget mere komplicerede og vanskelige, men vi forsøger at udfylde hullet mellem simuleringer i lille stjerneskala og stor galaktisk skala, " sagde Chen, tilføjer, at han mener, at denne undersøgelse er den første af sin slags. "Vi forsøger at skubbe grænserne og forbinde, hvad der ser ud til at være to forskellige ting, men de er faktisk tæt på hinanden."

Chen - der har været computing på NERSC siden 2009, fra da han var kandidatstuderende ved University of Minnesota, Twin Cities – krediterer centrets personale såvel som supercomputere for at gøre dette arbejde muligt.

"Den kritiske faktor for at få maskinen til at blive den mest produktive handler ikke kun om maskinens hastighed, men hvor effektivt du kan køre jobbet, og det kræver en betydelig indsats af støtte fra det videnskabelige og tekniske personale. Dette gør det muligt at arbejde meget hurtigere, og det er meget kritisk."