Le simulazioni al supercomputer hanno sondato i buchi neri primordiali ei loro effetti sulla formazione delle prime stelle nell'universo. I buchi neri possono aiutare la formazione delle stelle seminando strutture che si formano intorno a loro attraverso la loro immensa gravità. Inoltre ostacolano la formazione delle stelle riscaldando il gas che cade al loro interno. Le simulazioni Stampede2 allocate da XSEDE mostrano che questi effetti sostanzialmente si annullano a vicenda. Qui è mostrato un concetto artistico che illustra uno schema gerarchico per la fusione dei buchi neri. Credito:LIGO/Caltech/MIT/R. Ferito (IPAC)
Solo pochi millisecondi dopo il Big Bang dell'universo, regnava il caos. I nuclei atomici si fuse e si ruppero in un movimento ardente e frenetico. Onde di pressione incredibilmente forti si sono accumulate e hanno schiacciato la materia così strettamente insieme che si sono formati i buchi neri, che gli astrofisici chiamano buchi neri primordiali.
I buchi neri primordiali hanno aiutato o ostacolato la formazione delle prime stelle dell'universo, nate alla fine circa 100 milioni di anni dopo?
Le simulazioni di supercomputer hanno aiutato a indagare su questa domanda cosmica, grazie alle simulazioni sul supercomputer Stampede2 del Texas Advanced Computing Center (TACC), parte dell'Università del Texas ad Austin.
"Abbiamo scoperto che l'immagine standard della formazione della prima stella non è realmente modificata dai buchi neri primordiali", ha affermato Boyuan Liu, ricercatore post-dottorato all'Università di Cambridge. Liu è l'autore principale della ricerca di astrofisica computazionale pubblicata nell'agosto 2022 negli Avvisi mensili della Royal Astronomical Society .
Nell'universo primordiale, il modello standard dell'astrofisica sostiene che i buchi neri hanno seminato la formazione di strutture simili ad aloni in virtù della loro attrazione gravitazionale, analogamente al modo in cui le nuvole si formano essendo seminate da particelle di polvere. Questo è un vantaggio per la formazione stellare, dove queste strutture servivano da impalcatura che aiutava la materia a fondersi nelle prime stelle e galassie.
Tuttavia, un buco nero provoca anche il riscaldamento dovuto a gas o detriti che cadono al suo interno. Questo forma un disco di accrescimento caldo attorno al buco nero, che emette fotoni energetici che ionizzano e riscaldano il gas circostante.
E questo è un aspetto negativo per la formazione stellare, poiché il gas deve raffreddarsi per poter condensare a una densità sufficientemente alta da innescare una reazione nucleare, dando fuoco alla stella.
"Abbiamo scoperto che questi due effetti - riscaldamento e seeding del buco nero - si annullano quasi a vicenda e l'impatto finale è minimo per la formazione stellare", ha detto Liu.
A seconda di quale effetto prevale sull'altro, la formazione stellare può essere accelerata, ritardata o impedita dai buchi neri primordiali. "Ecco perché i buchi neri primordiali possono essere importanti", ha aggiunto.
Liu ha sottolineato che è solo con simulazioni cosmologiche all'avanguardia che si può capire l'interazione tra i due effetti.
Per quanto riguarda l'importanza dei buchi neri primordiali, la ricerca ha anche implicato che interagiscono con le prime stelle e producono onde gravitazionali. "Potrebbero anche essere in grado di innescare la formazione di buchi neri supermassicci. Questi aspetti saranno studiati in studi di follow-up", ha aggiunto Liu.
Campi di materia al momento del collasso delle nubi (cioè l'inizio della formazione stellare) come distribuzioni proiettate di materia oscura (in alto) e gas (in basso) in quattro simulazioni mirate alla stessa regione ma con diverse abbondanze di buchi neri primordiali, misurate dal parametro f_PBH. I buchi neri primordiali sono tracciati con punti neri e i cerchi mostrano le dimensioni della struttura che ospita la nuvola che collassa. La fetta di dati ha un'estensione fisica di 2000 anni luce e uno spessore di 1000 anni luce. L'età dell'universo al momento del collasso diminuisce dapprima con f_PBH per f_PBH<0,001 quando domina l'effetto "semina". Quindi aumenta da f_PBH=0,001 a f_PBH=0,01 e oltre, poiché l'effetto "riscaldamento" diventa più importante. Credito:Liu et al.
Per lo studio, Liu e colleghi hanno utilizzato simulazioni cosmologiche di ingrandimento idrodinamico come strumento per schemi numerici all'avanguardia dell'idrodinamica gravitazionale, della chimica e del raffreddamento nella formazione della struttura e nella prima formazione stellare.
"Un effetto chiave dei buchi neri primordiali è che sono semi di strutture", ha detto Liu. Il suo team ha costruito il modello che ha implementato questo processo, oltre a incorporare il riscaldamento dei buchi neri primordiali.
Hanno quindi aggiunto un modello di griglia secondaria per l'accrescimento e il feedback dei buchi neri. Il modello calcola ad ogni passo temporale come un buco nero accumula gas e anche come riscalda l'ambiente circostante.
"Questo si basa sull'ambiente intorno al buco nero conosciuto nelle simulazioni al volo", ha detto Liu.
XSEDE ha assegnato le assegnazioni del team scientifico sul sistema Stampede2 di TACC.
"Le risorse di supercalcolo nell'astrofisica computazionale sono assolutamente vitali", ha affermato il coautore dello studio Volker Bromm, professore e presidente del Dipartimento di Astronomia, UT Austin.
Bromm ha spiegato che in astrofisica teorica, il paradigma dominante per comprendere la formazione e l'evoluzione della struttura cosmica consiste nell'usare simulazioni ab initio, che seguono il "playbook" dell'universo stesso:le equazioni che governano la fisica.
Le simulazioni utilizzano i dati dalle condizioni iniziali dell'universo con un'elevata precisione basata sulle osservazioni del fondo cosmico a microonde. Vengono quindi allestite scatole di simulazione che seguono passo passo l'evoluzione cosmica.
Ma le sfide nella simulazione computazionale della formazione della struttura risiedono nel modo in cui le grandi scale dell'universo - da milioni a miliardi di anni luce e miliardi di anni - si intrecciano con le scale atomiche in cui avviene la chimica stellare.
"Il microcosmo e il macrocosmo interagiscono", ha detto Bromm.
"Le risorse TACC e XSEDE sono state assolutamente vitali per noi per spingere la frontiera dell'astrofisica computazionale. Tutti coloro che sono alla UT Austin - docenti, dottorandi, studenti - traggono vantaggio dal fatto che abbiamo un centro di supercalcolo così importante. Sono estremamente grato", ha aggiunto Bromm.
Il supercomputer Stampede2 di TACC. Credito:TACC
"Se esaminiamo una struttura tipica che può formare le prime stelle, abbiamo bisogno di circa un milione di elementi per risolvere completamente questo alone o struttura", ha detto Liu. "Questo è il motivo per cui dobbiamo usare i supercomputer in TACC."
Liu ha affermato che utilizzando Stampede2, una simulazione eseguita su 100 core può essere completata in poche ore rispetto ad anni su un laptop, per non parlare dei colli di bottiglia con memoria e lettura o scrittura di dati.
"Il piano generale del nostro lavoro è che vogliamo capire come l'universo è stato trasformato dalle semplici condizioni iniziali del Big Bang", ha spiegato Bromm.
Le strutture emerse dal Big Bang sono state guidate dall'importanza dinamica della materia oscura.
La natura della materia oscura rimane uno dei più grandi misteri della scienza.
Gli indizi di questa ipotetica ma non osservabile sostanza sono innegabili, visti nelle impossibili velocità di rotazione delle galassie. La massa di tutte le stelle e i pianeti nelle galassie come la nostra Via Lattea non ha abbastanza gravità per impedire loro di separarsi. Il "fattore x" è chiamato materia oscura, ma i laboratori non l'hanno ancora rilevato direttamente.
Tuttavia, le onde gravitazionali sono state rilevate, prima da LIGO nel 2015.
"È possibile che i buchi neri primordiali possano spiegare questi eventi di onde gravitazionali che abbiamo rilevato negli ultimi sette anni", ha detto Liu. "Questo ci motiva."
Bromm ha detto:"I supercomputer stanno consentendo nuove intuizioni senza precedenti su come funziona l'universo. L'universo ci fornisce ambienti estremi che sono estremamente difficili da comprendere. Questo dà anche la motivazione per costruire architetture di calcolo sempre più potenti e ideare strutture algoritmiche migliori. C'è grande bellezza e potenza a beneficio di tutti."
Lo studio, "Effects of stellar-mass primordial black holes on first star formation", è stato pubblicato nell'agosto 2022 negli Monthly Notice of the Royal Astronomical Society . Gli autori dello studio sono Boyuan Liu, Saiyang Zhang e Volker Bromm dell'Università del Texas ad Austin. Liu ora è all'Università di Cambridge. + Esplora ulteriormente
