Stampede2 süper bilgisayarı, ilkel kara deliklerin yıldız tohumlama, ısıtma etkilerini simüle eder

Evrenin Büyük Patlamasından sadece milisaniyeler sonra kaos hüküm sürdü. Atom çekirdekleri sıcak, çılgın bir hareketle kaynaştı ve parçalandı. İnanılmaz derecede güçlü basınç dalgaları oluştu ve maddeyi o kadar sıkı bir şekilde sıkıştırdı ki, astrofizikçilerin ilkel kara delikler dediği kara delikler oluştu.

İlk kara delikler, sonunda yaklaşık 100 milyon yıl sonra doğan evrenin ilk yıldızlarının oluşumuna yardımcı mı oldu yoksa bunu engelledi mi?

Süper bilgisayar simülasyonları, Austin’deki Texas Üniversitesi’nin bir parçası olan Texas Advanced Computing Center’ın (TACC) Stampede2 süper bilgisayarındaki simülasyonlar sayesinde bu kozmik sorunun araştırılmasına yardımcı oldu.

Cambridge Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olan Boyuan Liu, “İlk yıldız oluşumunun standart resminin ilkel kara delikler tarafından gerçekten değişmediğini bulduk” dedi. Liu, Ağustos 2022’de yayınlanan hesaplamalı astrofizik araştırmasının baş yazarıdır. Kraliyet Astronomi Derneği’nin Aylık Bildirimleri.

Erken evrende, standart astrofizik modeli, kara deliklerin, bulutların toz parçacıkları tarafından tohumlanarak nasıl oluştuğuna benzer şekilde, yerçekimsel çekimleri sayesinde hale benzeri yapıların oluşumunu tohumladığını kabul eder. Bu, bu yapıların, maddenin ilk yıldızlara ve galaksilere dönüşmesine yardımcı olan bir yapı iskelesi olarak hizmet ettiği yıldız oluşumu için bir artıdır.

Bununla birlikte, bir kara delik, içine düşen gaz veya döküntülerin ısınmasına da neden olur. Bu, kara deliğin etrafında, çevredeki gazı iyonize eden ve ısıtan enerjik fotonlar yayan sıcak bir toplanma diski oluşturur.

Ve bu, yıldız oluşumu için bir eksi, çünkü bir nükleer reaksiyonun tetiklenmesi ve yıldızın alev alması için gazın yeterince yüksek yoğunluğa yoğunlaşabilmesi için soğuması gerekiyor.

Liu, “Bu iki etkinin – kara delik ısınması ve tohumlanmasının – neredeyse birbirini iptal ettiğini ve son etkinin yıldız oluşumu için küçük olduğunu bulduk.” Dedi.

Hangi etkinin diğerine üstün geldiğine bağlı olarak, yıldız oluşumu ilkel kara delikler tarafından hızlandırılabilir, geciktirilebilir veya önlenebilir. “Bu yüzden ilkel kara delikler önemli olabilir” diye ekledi.

Liu, iki etki arasındaki etkileşimin ancak son teknoloji kozmolojik simülasyonlarla anlaşılabileceğini vurguladı.

Araştırma, ilkel kara deliklerin önemi ile ilgili olarak, ilk yıldızlarla etkileşime girdiklerini ve yerçekimi dalgaları ürettiklerini de ima etti. Liu, “Ayrıca süper kütleli kara deliklerin oluşumunu tetikleyebilirler. Bu yönler, takip çalışmalarında araştırılacaktır.”

Çalışma için, Liu ve meslektaşları kozmolojik hidrodinamik yakınlaştırma simülasyonlarını, yapı oluşumunda ve erken yıldız oluşumunda yerçekimi hidrodinamiği, kimya ve soğutmanın son teknoloji sayısal şemaları için bir araç olarak kullandılar.

Liu, “İlkel kara deliklerin önemli bir etkisi, yapıların tohumları olmalarıdır.” Dedi. Ekibi, bu süreci uygulayan modeli oluşturmanın yanı sıra, ilkel kara deliklerden gelen ısıtmayı da dahil etti.

Daha sonra kara delik birikimi ve geri bildirim için bir alt ızgara modeli eklediler. Model, her zaman adımında bir kara deliğin nasıl gaz biriktirdiğini ve ayrıca çevresini nasıl ısıttığını hesaplar.

Liu, “Bu, anında simülasyonlarda bilinen kara deliğin etrafındaki ortama dayanmaktadır.” Dedi.

XSEDE, TACC’nin Stampede2 sistemine bilim ekibi tahsisatlarını verdi.

UT Austin Astronomi Bölümü profesörü ve başkanı olan çalışmanın ortak yazarı Volker Bromm, “Hesaplamalı astrofizikte süper bilgi işlem kaynakları kesinlikle hayati önem taşıyor” dedi.

Bromm, teorik astrofizikte, kozmik yapının oluşumunu ve evrimini anlamak için egemen paradigmanın, evrenin kendisinin “oyun kitabını” – fiziğin yöneten denklemlerini – izleyen ab initio simülasyonları kullanmak olduğunu açıkladı.

Simülasyonlar, kozmik mikrodalga arka planının gözlemlerine dayalı olarak evrenin başlangıç ​​koşullarından yüksek hassasiyete kadar verileri kullanır. Ardından, kozmik evrim zaman adımını adım adım takip eden simülasyon kutuları kurulur.

Ancak yapı oluşumunun hesaplamalı simülasyonundaki zorluklar, evrenin büyük ölçeklerinin -milyonlarca ila milyarlarca ışıkyılı ve milyarlarca yıl- yıldız kimyasının gerçekleştiği atomik ölçeklerle iç içe geçme biçiminde yatmaktadır.

Bromm, “Mikro kozmos ve makro kozmos etkileşime giriyor” dedi.

“TACC ve XSEDE kaynakları, hesaplama astrofiziğinin sınırlarını zorlamamız için kesinlikle hayati önem taşıyor. UT Austin’deki herkes – öğretim üyeleri, doktora sonrası çalışanlar, öğrenciler – böylesine üstün bir süper bilgi işlem merkezine sahip olduğumuz gerçeğinden yararlanıyor. minnettarım,” diye ekledi Bromm.

Liu, “İlk yıldızları oluşturabilecek tipik bir yapıya bakarsak, bu haleyi veya yapıyı tamamen çözmek için yaklaşık bir milyon elemente ihtiyacımız var.” Dedi. “Bu yüzden TACC’de süper bilgisayarlar kullanmamız gerekiyor.”

Liu, Stampede2’yi kullanarak, 100 çekirdek üzerinde çalışan bir simülasyonun, bir dizüstü bilgisayarda yıllarca yerine sadece birkaç saatte tamamlanabileceğini, bellek ve veri okuma veya yazma ile ilgili darboğazlardan bahsetmiyorum bile.

Bromm, “Çalışmamızla ilgili genel oyun planı, evrenin Big Bang’in basit başlangıç ​​koşullarından nasıl dönüştürüldüğünü anlamak istediğimizdir” dedi.

Big Bang’den ortaya çıkan yapılar, karanlık maddenin dinamik önemi tarafından yönlendirildi.

Karanlık maddenin doğası, bilimdeki en büyük gizemlerden biri olmaya devam ediyor.

Bu varsayımsal ancak gözlemlenemeyen maddenin ipuçları, galaksilerin imkansız dönüş hızlarında görüldüğü gibi yadsınamaz. Samanyolumuz gibi galaksilerdeki tüm yıldızların ve gezegenlerin kütlesi, onları ayrı ayrı uçmaktan alıkoyacak kadar yerçekimine sahip değildir. ‘X faktörü’ karanlık madde olarak adlandırılıyor, ancak laboratuvarlar henüz onu doğrudan tespit edemedi.

Ancak yerçekimi dalgaları ilk olarak 2015 yılında LIGO tarafından tespit edilmiştir.

Liu, “İlkel kara deliklerin, son yedi yılda tespit ettiğimiz bu yerçekimi dalgası olaylarını açıklayabilmesi mümkündür.” Dedi. “Bu sadece bizi motive ediyor.”

Said Bromm: “Süper bilgisayarlar, evrenin nasıl çalıştığına dair benzeri görülmemiş yeni anlayışlar sağlıyor. Evren bize anlaşılması son derece zor olan uç ortamlar sağlıyor. Bu aynı zamanda her zamankinden daha güçlü hesaplama mimarileri inşa etmek ve daha iyi algoritmik yapılar tasarlamak için motivasyon sağlıyor. herkesin yararına büyük güzellik ve güç.”

“Yıldız kütleli ilkel kara deliklerin ilk yıldız oluşumu üzerindeki etkileri” adlı çalışma Ağustos 2022’de yayınlandı. Kraliyet Astronomi Derneği’nin Aylık Bildirimleri. Çalışma yazarları, Austin’deki Texas Üniversitesi’nden Boyuan Liu, Saiyang Zhang ve Volker Bromm’dur. Liu şu anda Cambridge Üniversitesi’nde.