Nei loro rispettivi sforzi per comprendere l'universo e tutto ciò che comprende, c'è un divario significativo tra ciò che i cosmologi e gli astrofisici studiano e come lo studiano:la scala. I cosmologi in genere si concentrano sulle proprietà su larga scala dell'universo nel suo insieme, come le galassie e il mezzo intergalattico; mentre gli astrofisici sono più interessati a testare teorie fisiche di oggetti di piccole e medie dimensioni, come le stelle, supernovae e mezzo interstellare.

Eppure i due campi sono più allineati di quanto possa sembrare a prima vista, soprattutto se si guarda a come si è formato l'universo primordiale.

"Le prime supernovae sono particolarmente interessanti non solo per le persone che studiano le stelle, ma anche per coloro che si occupano di cosmologia, " ha detto Ken Chen, un astrofisico presso l'East Asian Core Observatories Association (EACOA) e autore principale di un articolo in The Giornale Astrofisico che esamina come le prime supernove abbiano influenzato la formazione stellare e, insieme ad esso, l'evoluzione dell'universo. "Quelle prime stelle erano molto massicce, e le supernove che provenivano da queste prime stelle erano anche la fonte della maggior parte degli elementi pesanti nella tavola periodica. Per i cosmologi, questi metalli sono molto importanti perché hanno fornito il raffreddamento e hanno cambiato la scala di massa della formazione stellare, che determinò anche la comparsa delle galassie in seguito."

Per questo studio, Chen e colleghi della Portsmouth University e dell'Universität Heidelberg hanno eseguito simulazioni sul supercomputer Edison presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Lawrence Berkeley National Laboratory per illustrare come i metalli pesanti espulsi dalle supernovae esplosive hanno aiutato le prime stelle nell'universo a regolare la successiva formazione stellare. L'idea era di prendere la precedente ricerca sulle supernovae di Chen ed estenderla alla cosmologia. NERSC è un DOE Office of Science User Facility.

"Volevamo capire la morte delle stelle massicce nell'universo primordiale, le supernove, e come le loro esplosioni in seguito abbiano influenzato la formazione stellare nell'universo, " Ha detto Chen. "Ci sono molti scenari in cui gli elementi pesanti della prima supernova sono stati assorbiti in stelle di seconda generazione, ma le simulazioni cosmologiche li modellano su scale più grandi. I cosmologi tendono a voler vedere la formazione di galassie o strutture cosmiche. Ma in quel tipo di simulazioni non sei in grado di risolvere i piccoli dettagli, le sottili strutture di come le supernove influiscono effettivamente sul gas circostante e modificano la formazione stellare".

Fotoevaporazione dell'alone della materia oscura

Quindi lui e i suoi collaboratori gestivano su piccola scala, simulazioni ad alta risoluzione dell'arricchimento chimico di un alone di materia oscura tramite metalli da una vicina esplosione di supernova dopo una parziale evaporazione da parte della stella progenitrice. Il team ha utilizzato diverse centinaia di migliaia di ore di calcolo al NERSC per produrre una serie di simulazioni 2-D e 3-D che li hanno aiutati a esaminare il ruolo della fotoevaporazione dell'alone della materia oscura, in cui la radiazione energetica ionizza il gas e lo fa disperdere lontano dall'alone. giocato non solo nella prima formazione delle stelle, ma anche nell'assemblaggio di galassie successive.

"Nell'universo primordiale, le stelle erano massicce e la radiazione che emettevano era molto forte, " Ha spiegato Chen. "Quindi, se hai questa radiazione prima che la stella esploda e diventi una supernova, la radiazione ha già causato danni significativi al gas che circonda l'alone della stella".

L'evaporazione parziale dell'alone prima dell'esplosione è cruciale per il suo successivo arricchimento da parte della supernova, ha sottolineato. Inoltre, come i metalli espulsi dall'esplosione si mescolano con l'alone è fondamentale per prevedere la quantità di metalli in una stella di seconda generazione, che influenza le dimensioni e la massa di queste stelle e, così, la composizione della galassia. Ma i precedenti studi di cosmologia non hanno collegato i punti tra formazione stellare e formazione di galassie in questo tipo di dettaglio, Chen ha notato. Questo è ciò che ha spinto i ricercatori a utilizzare un multiscala, approccio multifisico, utilizzando due codici differenti:ZEUS-MP, che ha il trasporto di radiazione necessario per far evaporare l'alone, e CASTRO, che è stato sviluppato al Berkeley Lab e ha il perfezionamento della mesh adattivo necessario per risolvere la collisione del metallo espulso con l'alone.

"I dettagli tecnici e la fisica diversa rendono queste simulazioni molto più complicate e difficili, ma stiamo cercando di colmare il divario tra le simulazioni su piccola scala stellare e su larga scala galattica, "Chen ha detto, aggiungendo che crede che questo studio sia il primo del suo genere. "Stiamo cercando di spingere i confini e collegare quelle che sembrano essere due cose diverse, ma in realtà sono strettamente allineati."

Chen, che lavora al NERSC dal 2009, a partire da quando era uno studente laureato presso l'Università del Minnesota, Twin Cities:attribuisce il merito al personale del centro e ai supercomputer per aver reso possibile questo lavoro.

"Il fattore critico per rendere la macchina più produttiva non riguarda solo la velocità di quella macchina, ma anche l'efficacia con cui si può eseguire il lavoro, e ciò richiede uno sforzo significativo di supporto da parte del personale scientifico e tecnico. Ciò consente di lavorare molto più velocemente, e questo è molto critico".