Zaledwie milisekundy po Wielkim Wybuchu we wszechświecie zapanował chaos. Jądra atomowe połączyły się i rozpadły w gorącym, szaleńczym ruchu. Powstawały niezwykle silne fale ciśnienia i ściskały materię tak ciasno, że powstały czarne dziury, które astrofizycy nazywają pierwotnymi czarnymi dziurami.
Czy pierwotne czarne dziury pomogły lub utrudniły powstawanie pierwszych gwiazd we Wszechświecie, które w końcu narodziły się około 100 milionów lat później?
Symulacje superkomputerowe pomogły zbadać to kosmiczne pytanie, dzięki symulacjom na superkomputerze Stampede2 należącym do Texas Advanced Computing Center (TACC), części Uniwersytetu Teksańskiego w Austin.
„Odkryliśmy, że standardowy obraz formowania się pierwszych gwiazd tak naprawdę nie jest zmieniany przez pierwotne czarne dziury” – powiedział Boyuan Liu, badacz z tytułem doktora na Uniwersytecie Cambridge. Liu jest głównym autorem badań astrofizyki obliczeniowej opublikowanych w sierpniu 2022 r. w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
We wczesnym wszechświecie standardowy model astrofizyki utrzymuje, że czarne dziury powodowały powstawanie struktur podobnych do halo dzięki ich przyciąganiu grawitacyjnemu, analogicznie do tego, jak tworzą się chmury, gdy są zasiewane przez cząstki pyłu. Jest to plus dla formowania się gwiazd, gdzie struktury te służyły jako rusztowanie, które pomogło materii zlewać się w pierwsze gwiazdy i galaktyki.
Jednak czarna dziura powoduje również ogrzewanie przez wpadające do niej gazy lub zanieczyszczenia. To tworzy gorący dysk akrecyjny wokół czarnej dziury, który emituje energetyczne fotony, które jonizują i ogrzewają otaczający gaz.
I to jest minus dla formowania się gwiazd, ponieważ gaz musi się ochłodzić, aby mógł się skondensować do wystarczająco dużej gęstości, aby wywołać reakcję jądrową, która podpaliła gwiazdę.
„Odkryliśmy, że te dwa efekty – ogrzewanie i rozsiewanie czarnej dziury – prawie się znoszą, a ostateczny wpływ na powstawanie gwiazd jest niewielki” – powiedział Liu.
W zależności od tego, który efekt wygrywa z innym, powstawanie gwiazd może być przyspieszone, opóźnione lub uniemożliwione przez pierwotne czarne dziury. „Dlatego pierwotne czarne dziury mogą być ważne” – dodał.
Liu podkreślił, że tylko dzięki najnowocześniejszym symulacjom kosmologicznym można zrozumieć wzajemne oddziaływanie tych dwóch efektów.
Jeśli chodzi o znaczenie pierwotnych czarnych dziur, badania wykazały również, że wchodzą one w interakcje z pierwszymi gwiazdami i wytwarzają fale grawitacyjne. „Mogą również wywoływać powstawanie supermasywnych czarnych dziur. Te aspekty zostaną zbadane w dalszych badaniach” – dodał Liu.
W badaniach Liu i współpracownicy wykorzystali kosmologiczne hydrodynamiczne symulacje przybliżania jako narzędzie do najnowocześniejszych schematów numerycznych hydrodynamiki grawitacyjnej, chemii i chłodzenia w tworzeniu struktur i wczesnych formowania się gwiazd.
„Kluczowym efektem pierwotnych czarnych dziur jest to, że są one zarodkami struktur” – powiedział Liu. Jego zespół zbudował model, który zaimplementował ten proces, a także uwzględnił ogrzewanie z pierwotnych czarnych dziur.
Następnie dodali model podsieci dla akrecji czarnej dziury i sprzężenia zwrotnego. Model oblicza w każdym kroku czasowym, w jaki sposób czarna dziura akreuje gaz, a także jak ogrzewa swoje otoczenie.
„Opiera się to na środowisku wokół czarnej dziury znanym z symulacji w locie” – powiedział Liu.
XSEDE przyznało zespołowi naukowemu alokacje w systemie Stampede2 TACC.
„Zasoby superkomputerowe w astrofizyce obliczeniowej są absolutnie niezbędne” – powiedział współautor badania Volker Bromm, profesor i kierownik Wydziału Astronomii UT Austin.
Bromm wyjaśnił, że w astrofizyce teoretycznej paradygmatem rządzącym w zrozumieniu powstawania i ewolucji kosmicznej struktury jest wykorzystanie symulacji ab initio, które podążają za „podręcznikiem” samego wszechświata – rządzącymi równaniami fizyki.
Symulacje wykorzystują dane z warunków początkowych Wszechświata z dużą precyzją w oparciu o obserwacje mikrofalowego promieniowania tła. Następnie tworzone są pola symulacyjne, które śledzą kosmiczną ewolucję krok po kroku.
Jednak wyzwania związane z obliczeniową symulacją powstawania struktur leżą w sposobie, w jaki duże skale Wszechświata – od milionów do miliardów lat świetlnych i miliardów lat – łączą się ze skalami atomowymi, w których zachodzi chemia gwiazd.
„Mikrokosmos i makrokosmos wchodzą w interakcję” – powiedział Bromm.
„Zasoby TACC i XSEDE były dla nas absolutnie niezbędne do przesuwania granic astrofizyki obliczeniowej. Każdy, kto jest na UT Austin – członkowie wydziału, doktoranci, studenci – czerpie korzyści z faktu, że mamy tak pierwszorzędne centrum superkomputerowe. Jestem niezmiernie wdzięczny” – dodał Bromm.
„Jeśli przyjrzymy się jednej typowej strukturze, która może uformować pierwsze gwiazdy, potrzebujemy około miliona pierwiastków, aby w pełni rozdzielić to halo lub strukturę” – powiedział Liu. „Dlatego musimy używać superkomputerów w TACC”.
Liu powiedział, że przy użyciu Stampede2 symulacja działająca na 100 rdzeniach może zakończyć się w ciągu zaledwie kilku godzin w porównaniu z latami na laptopie, nie wspominając już o wąskich gardłach związanych z pamięcią i odczytem lub zapisem danych.
„Ogólny plan gry w naszej pracy jest taki, że chcemy zrozumieć, jak wszechświat został przekształcony z prostych warunków początkowych Wielkiego Wybuchu” – wyjaśnił Bromm.
Struktury, które wyłoniły się z Wielkiego Wybuchu, były napędzane dynamicznym znaczeniem ciemnej materii.
Natura ciemnej materii pozostaje jedną z największych tajemnic nauki.
Ślady tej hipotetycznej, ale nieobserwowalnej substancji są niezaprzeczalne, widoczne w niemożliwych prędkościach obrotowych galaktyk. Masa wszystkich gwiazd i planet w galaktykach, takich jak nasza Droga Mleczna, nie ma wystarczającej grawitacji, aby nie rozleciały się. „Współczynnik x” nazywa się ciemną materią, ale laboratoria jeszcze go nie wykryły.
Jednak fale grawitacyjne zostały wykryte, po raz pierwszy przez LIGO w 2015 roku.
„Jest możliwe, że pierwotne czarne dziury mogą wyjaśnić te zdarzenia fal grawitacyjnych, które wykrywaliśmy przez ostatnie siedem lat” – powiedział Liu. „To tylko nas motywuje”.
Said Bromm: „Superkomputery umożliwiają bezprecedensowy nowy wgląd w to, jak działa wszechświat. Wszechświat zapewnia nam ekstremalne środowiska, które są niezwykle trudne do zrozumienia. Daje to również motywację do budowania coraz potężniejszych architektur obliczeniowych i opracowywania lepszych struktur algorytmicznych. wielkie piękno i moc z korzyścią dla wszystkich.”
Badanie „Effects of stellar-mass primordial black hole on first star formation” zostało opublikowane w sierpniu 2022 r. w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Autorami badania są Boyuan Liu, Saiyang Zhang i Volker Bromm z University of Texas w Austin. Liu jest teraz na Uniwersytecie Cambridge.