Stampede2-supercomputer simulerer stjernesåning, opvarmningseffekter af primordiale sorte huller

Kun millisekunder efter universets Big Bang herskede kaos. Atomkerner smeltede sammen og brød fra hinanden i varme, vanvittige bevægelser. Utrolig stærke trykbølger byggede sig op og pressede stoffet så tæt sammen, at der blev dannet sorte huller, som astrofysikere kalder primordiale sorte huller.

Hjælp eller forhindrede primordiale sorte huller dannelsen af ​​universets første stjerner, til sidst født omkring 100 millioner år senere?

Supercomputersimuleringer hjalp med at undersøge dette kosmiske spørgsmål takket være simuleringer på Stampede2-supercomputeren fra Texas Advanced Computing Center (TACC), en del af University of Texas i Austin.

"Vi fandt ud af, at standardbilledet af dannelsen af ​​første stjerne ikke rigtig ændres af primordiale sorte huller," sagde Boyuan Liu, en post-doc forsker ved University of Cambridge. Liu er hovedforfatter af beregningsmæssig astrofysisk forskning offentliggjort i august 2022 i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

I det tidlige univers hævder astrofysikkens standardmodel, at sorte huller udså dannelsen af ​​halo-lignende strukturer i kraft af deres tyngdekraft, analogt med, hvordan skyer dannes ved at blive frøet af støvpartikler. Dette er et plus for stjernedannelse, hvor disse strukturer tjente som stilladser, der hjalp stoffet med at smelte sammen til de første stjerner og galakser.

Et sort hul forårsager dog også opvarmning af gas eller affald, der falder ned i det. Dette danner en varm tilvækstskive omkring det sorte hul, som udsender energiske fotoner, der ioniserer og opvarmer den omgivende gas.

Og det er et minus for stjernedannelse, da gas skal køles ned for at kunne kondensere til høj nok tæthed til, at en kernereaktion udløses, hvilket sætter stjernen i brand.

"Vi fandt ud af, at disse to effekter - opvarmning af sorte huler og såning - næsten udligner hinanden, og den endelige virkning er lille for stjernedannelse," sagde Liu.

Afhængigt af hvilken effekt der vinder over den anden, kan stjernedannelse accelereres, forsinkes eller forhindres af primordiale sorte huller. "Det er grunden til, at oprindelige sorte huller kan være vigtige," tilføjede han.

Liu understregede, at det kun er med state-of-the-art kosmologiske simuleringer, at man kan forstå samspillet mellem de to effekter.

Med hensyn til vigtigheden af ​​de oprindelige sorte huller antydede forskningen også, at de interagerer med de første stjerner og producerer gravitationsbølger. "De kan også være i stand til at udløse dannelsen af ​​supermassive sorte huller. Disse aspekter vil blive undersøgt i opfølgende undersøgelser," tilføjede Liu.

Til undersøgelsen brugte Liu og kolleger kosmologiske hydrodynamiske zoom-in-simuleringer som deres værktøj til avancerede numeriske skemaer for tyngdekraftens hydrodynamik, kemi og afkøling i strukturdannelse og tidlig stjernedannelse.

"En nøgleeffekt af primordiale sorte huller er, at de er frø af strukturer," sagde Liu. Hans team byggede modellen, der implementerede denne proces, samt inkorporerede opvarmning fra oprindelige sorte huller.

De tilføjede derefter en sub-grid-model til sort hul-tilvækst og feedback. Modellen beregner ved hvert tidstrin, hvordan et sort hul opsamler gas, og hvordan det opvarmer omgivelserne.

"Dette er baseret på miljøet omkring det sorte hul, der er kendt i simulationerne i farten," sagde Liu.

XSEDE tildelte videnskabsteamets tildelinger på Stampede2-systemet af TACC.

"Supercomputing-ressourcer i beregningsastrofysik er absolut vitale," sagde studiets medforfatter Volker Bromm, professor og formand, Institut for Astronomi, UT Austin.

Bromm forklarede, at i teoretisk astrofysik er det herskende paradigme for at forstå dannelsen og udviklingen af ​​kosmisk struktur at bruge ab initio simuleringer, som følger "playbook" af selve universet - fysikkens styrende ligninger.

Simuleringerne bruger data fra universets begyndelsesforhold til høj præcision baseret på observationer af den kosmiske mikrobølgebaggrund. Simuleringsbokse sættes derefter op, der følger den kosmiske udvikling trin for trin.

Men udfordringerne ved beregningssimulering af strukturdannelse ligger i den måde, hvorpå store skalaer af universet – millioner til milliarder af lysår og milliarder af år – går i indgreb med atomskalaen, hvor stjernekemi finder sted.

"Mikrokosmos og makrokosmos interagerer," sagde Bromm.

"TACC- og XSEDE-ressourcer har været helt afgørende for os for at skubbe grænsen for beregningsastrofysik. Alle, der er på UT Austin - fakultetsmedlemmer, postdocs, studerende - nyder godt af det faktum, at vi har sådan et førsteklasses supercomputingcenter. Jeg er ekstremt meget taknemmelig," tilføjede Bromm.

"Hvis vi ser på en typisk struktur, der kan danne de første stjerner, har vi brug for omkring en million elementer for fuldt ud at løse denne halo eller struktur," sagde Liu. "Det er derfor, vi skal bruge supercomputere på TACC."

Liu sagde, at ved at bruge Stampede2 kan en simulering, der kører på 100 kerner, gennemføres på blot et par timer i forhold til år på en bærbar computer, for ikke at nævne flaskehalsene med hukommelse og læsning eller skrivning af data.

"Den overordnede plan med vores arbejde er, at vi ønsker at forstå, hvordan universet blev transformeret fra de simple begyndelsesbetingelser for Big Bang," forklarede Bromm.

De strukturer, der opstod fra Big Bang, var drevet af mørkt stofs dynamiske betydning.

Mørkt stofs natur er fortsat et af de største mysterier i videnskaben.

Ledetrådene til dette hypotetiske, men uobserverbare stof er ubestridelige, set i galaksernes umulige rotationshastigheder. Massen af ​​alle stjerner og planeter i galakser som vores Mælkevej har ikke tyngdekraft nok til at forhindre dem i at flyve fra hinanden. 'X-faktoren' kaldes mørkt stof, men laboratorier har endnu ikke direkte opdaget det.

Imidlertid er gravitationsbølger blevet opdaget, først af LIGO i 2015.

"Det er muligt, at primordiale sorte huller kan forklare disse gravitationsbølgehændelser, som vi har opdaget i løbet af de sidste syv år," sagde Liu. "Dette motiverer os bare."

Sagde Bromm:"Supercomputere muliggør hidtil uset ny indsigt i, hvordan universet fungerer. Universet giver os ekstreme miljøer, som er ekstremt udfordrende at forstå. Dette giver også motivation til at bygge stadig mere kraftfulde beregningsarkitekturer og udtænke bedre algoritmiske strukturer. Der er stor skønhed og kraft til gavn for alle."

Undersøgelsen, "Effects of star-masse primordiale sorte huller på første stjernedannelse," blev offentliggjort august 2022 i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . Studieforfatterne er Boyuan Liu, Saiyang Zhang og Volker Bromm fra University of Texas i Austin. Liu er nu på University of Cambridge. + Udforsk yderligere

Opstod der sorte huller umiddelbart efter Big Bang?