Supercomputere graver i de første stjernefossiler

Ingen har endnu fundet de første stjerner.

De antages at være dannet omkring 100 millioner år efter Big Bang ud af det universelle mørke fra brintets oprindelige gasser. helium, og spor letmetaller. Disse gasser afkølede, kollapsede, og antændes i stjerner op til 1, 000 gange mere massiv end vores sol. Jo større stjerne, jo hurtigere brænder de ud. De første stjerner levede sandsynligvis kun et par millioner år, en dråbe i bøtten af ​​universets tidsalder, omkring 13,8 milliarder år. De vil næppe nogensinde blive observeret, tabt til tidens tåger.

Da de metalfrie første stjerner kollapsede og eksploderede i supernovaer, de smedede tungere grundstoffer såsom kulstof, der udså den næste generation af stjerner. En type af disse anden stjerner kaldes en kulstofforstærket metalfattig stjerne. De er som fossiler for astrofysikere. Deres sammensætning afspejler nukleosyntesen, eller fusion, af tungere grundstoffer fra de første stjerner.

"Vi kan få resultater fra indirekte målinger for at få massefordelingen af ​​metalfri stjerner ud fra de elementære overflod af metalfattige stjerner, " sagde Gen Chiaki, en post-doc forsker i Center for Relativistisk Astrofysik, Skole for Fysik, Georgia Tech.

Chiaki er hovedforfatter af en undersøgelse offentliggjort i september 2020-udgaven af Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society . Undersøgelsen modellerede for første gang svage supernovaer af metalfrie første stjerner, hvilket gav kulstofforstærkede overflodsmønstre gennem blanding og tilbagefald af de udstødte bits.

Deres simuleringer viste også de kulholdige korn, der så fragmenteringen af ​​den producerede gassky, fører til dannelse af lavmasse 'giga-metal-fattige' stjerner, der kan overleve til i dag og muligvis findes i fremtidige observationer.

"Vi finder ud af, at disse stjerner har meget lavt jernindhold sammenlignet med de observerede kulstofforstærkede stjerner med milliardtedele af soloverfloden af ​​jern. vi kan se fragmenteringen af ​​gasskyerne. Dette indikerer, at stjerner med lav masse dannes i et regime med lavt jernindhold. Sådanne stjerner er aldrig blevet observeret endnu. Vores undersøgelse giver os teoretisk indsigt i dannelsen af ​​de første stjerner, " sagde Chiaki.

Undersøgelserne af Wise og Chiaki er en del af et felt kaldet 'galaktisk arkæologi.' De sammenligner det med at søge efter artefakter under jorden, der fortæller om karakteren af ​​for længst svundne samfund. Til astrofysikere, karakteren af ​​for længst svundne stjerner kan afsløres fra deres forstenede rester.

"Vi kan ikke se de allerførste generationer af stjerner, " sagde undersøgelsens medforfatter John Wise, en lektor også ved Center for Relativistisk Astrofysik, Fysikskolen, Georgia Tech. "Derfor, det er vigtigt rent faktisk at se på disse levende fossiler fra det tidlige univers, fordi de har fingeraftryk af de første stjerner over sig gennem de kemikalier, der blev produceret i supernovaen fra de første stjerner."

"Disse gamle stjerner har nogle fingeraftryk af nukleosyntesen af ​​metalfri stjerner. Det er et hint for os at søge nukleosyntesemekanismen, der sker i det tidlige univers, " sagde Chiaki.

"Det er her, vores simuleringer kommer i spil for at se dette ske. Når du har kørt simuleringen, du kan se en kort film af det for at se, hvor metallerne kommer fra, og hvordan de første stjerner og deres supernovaer faktisk påvirker disse fossiler, der lever indtil i dag, " sagde Wise.

Forskerne modellerede først dannelsen af ​​deres første stjerne, kaldet en Population III eller Pop III stjerne, og kørte tre forskellige simuleringer, der svarede til dens masse på 13,5, 50, og 80 solmasser. Simuleringerne løste den strålingsoverførsel under dens hovedsekvens og derefter efter at den dør og går til supernova. Det sidste trin var at udvikle sammenbruddet af skyen af ​​molekyler, der blev spyet ud af supernovaen, der involverede et kemisk netværk af 100 reaktioner og 50 arter såsom kulilte og vand.

Størstedelen af ​​simuleringerne kørte på Georgia Tech PACE-klyngen. De blev også tildelt computertildelinger af det National Science Foundation (NSF)-finansierede Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE). Stampede2 ved Texas Advanced Computing Center (TACC) og Comet ved San Diego Supercomputer Center (SDSC) kørte nogle af hovedsekvensen af ​​strålingsoverførselssimuleringer gennem XSEDE-allokeringer.

"XSEDE-systemerne Comet ved SDSC og Stampede2 hos TACC er meget hurtige og har et stort lagersystem. De var meget velegnede til at udføre vores enorme numeriske simuleringer, " sagde Chiaki.

"Fordi Stampede2 bare er så stor, selvom den skal rumme tusindvis af forskere, det er stadig en uvurderlig ressource for os, " sagde Wise. "Vi kan ikke bare køre vores simuleringer på lokale maskiner hos Georgia Tech."

Chiaki sagde, at han også var tilfreds med de hurtige køer på Comet ved SDSC. "På Comet, Jeg kunne med det samme køre simuleringerne lige efter jeg havde sendt jobbet, " han sagde.

Wise has been using XSEDE system allocations for over a decade, starting when he was a postdoc. "I couldn't have done my research without XSEDE."

XSEDE also provided expertise for the researchers to take full advantage of their supercomputer allocations through the Extended Collaborative Support Services (ECSS) program. Wise recalled using ECSS several years ago to improve the performance of the Enzo adaptive mesh refinement simulation code he still uses to solve the radiative transfer of stellar radiation and supernovae.

"Through ECSS, I worked with Lars Koesterke at TACC, and I found out that he used to work in astrophysics. He worked with me to improve the performance by about 50 percent of the radiation transport solver. He helped me profile the code to pinpoint which loops were taking the most time, and how to speed it up by reordering some loops. I don't think I would have identified that change without his help, " Wise said.

Wise has also been awarded time on TACC's NSF-funded Frontera system, the fastest academic supercomputer in the world. "We haven't gotten to full steam yet on Frontera. But we're looking forward to using it, because that's even a larger, more capable resource."

Wise added:"We're all working on the next generation of Enzo. We call it Enzo-E, E for exascale. This is a total re-write of Enzo by James Bordner, a computer scientist at the San Diego Supercomputer Center. And it scales almost perfectly to 256, 000 cores so far. That was run on NSF's Blue Waters. I think he scaled it to the same amount on Frontera, but Frontera is bigger, so I want to see how far it can go."

The downside, han sagde, is that since the code is new, it doesn't have all the physics they need yet. "We're about two-thirds of the way there, " Wise said.

He said that he's also hoping to get access to the new Expanse system at SDSC, which will supersede Comet after it retires in the next year or so. "Expanse has over double the compute cores per node than any other XSEDE resource, which will hopefully speed up our simulations by reducing the communication time between cores, " Wise said.

According to Chiaki, the next steps in the research are to branch out beyond the carbon features of ancient stars. "We want to enlarge our interest to the other types of stars and the general elements with larger simulations, " han sagde.

Said Chiaki:"The aim of this study is to know the origin of elements, such as carbon, ilt, and calcium. These elements are concentrated through the repetitive matter cycles between the interstellar medium and stars. Our bodies and our planet are made of carbon and oxygen, nitrogen, and calcium. Our study is very important to help understand the origin of these elements that we human beings are made of."