|
Суперкомпьютер имитирует засев звезд и нагревание первичных черных дыр
|
|
|
|
Всего через несколько миллисекунд после Большого взрыва во Вселенной воцарился хаос. Атомные ядра сливались и распадались в горячем бешеном движении. Невероятно сильные волны давления образовались и сжали материю так плотно, что образовались черные дыры, которые астрофизики называют первичными черными дырами. Помогли ли первичные черные дыры или помешали формированию первых звезд во вселенной, которые в конечном итоге родились около 100 миллионов лет спустя? Моделирование суперкомпьютера помогло исследовать этот космический вопрос благодаря моделированию на суперкомпьютере Stampede2 Техасского передового вычислительного центра (TACC), входящего в состав Техасского университета в Остине.
|
|
|
|
«Мы обнаружили, что первичные черные дыры не меняют стандартную картину формирования первых звезд», — сказал Боюань Лю, исследователь из Кембриджского университета. Лю является ведущим автором исследования по вычислительной астрофизике, опубликованного в августе 2022 года в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества. В ранней Вселенной стандартная модель астрофизики утверждает, что черные дыры способствовали формированию галоподобных структур благодаря своему гравитационному притяжению, аналогично тому, как образуются облака, будучи засеянными частицами пыли. Это плюс для звездообразования, где эти структуры служили строительными лесами, которые помогли материи объединиться в первые звезды и галактики.
|
|
|
Однако черная дыра также вызывает нагрев за счет газа или падающих в нее обломков. Это формирует горячий аккреционный диск вокруг черной дыры, который испускает энергичные фотоны, которые ионизируют и нагревают окружающий газ. И это минус для звездообразования, поскольку газ должен остыть, чтобы сконденсироваться до достаточно высокой плотности, чтобы началась ядерная реакция, поджигающая звезду. «Мы обнаружили, что эти два эффекта — нагрев и засев черной дыры — почти нейтрализуют друг друга, и окончательное влияние на звездообразование невелико», — сказал Лю.
|
|
|
|
В зависимости от того, какой эффект превалирует над другим, первичные черные дыры могут ускорить, отсрочить или предотвратить звездообразование. «Вот почему первичные черные дыры могут быть важны», — добавил он. Лю подчеркнул, что только с помощью современного космологического моделирования можно понять взаимодействие между двумя эффектами. Что касается важности первичных черных дыр, исследование также показало, что они взаимодействуют с первыми звездами и производят гравитационные волны. «Они также могут вызвать образование сверхмассивных черных дыр. Эти аспекты будут изучены в последующих исследованиях», — добавил Лю.
|
|
|
|
Для исследования Лю и его коллеги использовали космологическое гидродинамическое моделирование с увеличением в качестве инструмента для современных численных схем гравитационной гидродинамики, химии и охлаждения при структурообразовании и раннем звездообразовании. «Ключевой эффект первичных черных дыр заключается в том, что они являются семенами структур», — сказал Лю. Его команда построила модель, реализующую этот процесс, а также включающую нагрев первичных черных дыр. Затем они добавили модель подсетки для аккреции черных дыр и обратной связи. Модель рассчитывает на каждом временном шаге, как черная дыра аккрецирует газ, а также как она нагревает свое окружение.
|
|
|
|
«Это основано на окружающей среде вокруг черной дыры, известной в симуляциях на лету», — сказал Лю.
|
|
|
|
XSEDE наградил научную группу ассигнованиями по системе Stampede2 TACC.
|
|
|
|
«Ресурсы суперкомпьютеров в вычислительной астрофизике абсолютно необходимы», — сказал соавтор исследования Фолькер Бромм, профессор и заведующий кафедрой астрономии UT Austin.
|
|
|
|
Бромм объяснил, что в теоретической астрофизике господствующей парадигмой для понимания формирования и эволюции космической структуры является использование симуляций ab initio, которые следуют «схеме» самой Вселенной — основным уравнениям физики.
|
|
|
|
В моделировании используются данные о начальных условиях Вселенной с высокой точностью, основанные на наблюдениях космического микроволнового фона. Затем устанавливаются блоки моделирования, которые шаг за шагом следуют за космической эволюцией.
|
|
|
|
Но проблемы в вычислительном моделировании формирования структуры заключаются в том, как большие масштабы Вселенной — от миллионов до миллиардов световых лет и миллиардов лет — стыкуются с атомными масштабами, где происходит звездная химия.
|
|
|
|
«Микрокосм и макрокосм взаимодействуют», — сказал Бромм.
|
|
|
|
«Ресурсы TACC и XSEDE были жизненно важны для нас, чтобы раздвинуть границы вычислительной астрофизики. Все, кто работает в UT Austin — преподаватели, постдоки, студенты — извлекают выгоду из того, что у нас есть такой первоклассный суперкомпьютерный центр. благодарен», — добавил Бромм.
|
|
|
|
«Если мы рассмотрим одну типичную структуру, которая может сформировать первые звезды, нам понадобится около миллиона элементов, чтобы полностью разрешить это гало или структуру», — сказал Лю. «Вот почему нам нужно использовать суперкомпьютеры в TACC».
|
|
|
|
Лю сказал, что при использовании Stampede2 симуляция, работающая на 100 ядрах, может быть завершена всего за несколько часов по сравнению с годами на ноутбуке, не говоря уже о узких местах с памятью и чтением или записью данных.
|
|
|
|
«Общий план нашей работы заключается в том, что мы хотим понять, как Вселенная была преобразована из простых начальных условий Большого взрыва», — объяснил Бромм.
|
|
|
|
Структуры, возникшие в результате Большого взрыва, были обусловлены динамической важностью темной материи.
|
|
|
|
Природа темной материи остается одной из самых больших загадок в науке.
|
|
|
|
Подсказки этого гипотетического, но ненаблюдаемого вещества неоспоримы, они видны в невероятных скоростях вращения галактик. Масса всех звезд и планет в таких галактиках, как наш Млечный Путь, не обладает достаточной гравитацией, чтобы не дать им разлететься. «Х-фактор» называют темной материей, но лаборатории еще не обнаружили его напрямую.
|
|
|
|
Однако гравитационные волны были обнаружены впервые с помощью LIGO в 2015 году.
|
|
|
|
«Возможно, первичные черные дыры могут объяснить эти явления гравитационных волн, которые мы обнаруживали в течение последних семи лет», — сказал Лю. «Это только мотивирует нас».
|
|
|
|
Бромм сказал: «Суперкомпьютеры позволяют беспрецедентно по-новому взглянуть на то, как работает Вселенная. Вселенная предоставляет нам экстремальные условия, которые чрезвычайно сложно понять. великая красота и сила на благо всех».
|
|
|
|
Исследование «Влияние первичных черных дыр звездной массы на формирование первых звезд» было опубликовано в августе 2022 года в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества. Авторами исследования являются Боюань Лю, Сайян Чжан и Фолькер Бромм из Техасского университета в Остине. Лю сейчас работает в Кембриджском университете.
|
|
|
|
Источник
|
