In hun respectieve pogingen om het universum en alles wat het omvat te begrijpen, er is een veelzeggende kloof tussen wat kosmologen en astrofysici bestuderen en hoe ze het bestuderen:schaal. Kosmologen richten zich doorgaans op de grootschalige eigenschappen van het universum als geheel, zoals sterrenstelsels en intergalactisch medium; terwijl astrofysici meer geïnteresseerd zijn in het testen van fysische theorieën van kleine tot middelgrote objecten, zoals sterren, supernovae en interstellair medium.

En toch zijn de twee velden nauwer op elkaar afgestemd dan het op het eerste gezicht lijkt, vooral als we kijken naar hoe het vroege heelal werd gevormd.

"De eerste supernova's zijn vooral interessant, niet alleen voor mensen die sterren bestuderen, maar ook voor degenen die zich bezighouden met kosmologie, " zei Ken Chen, een astrofysicus bij de East Asian Core Observatories Association (EACOA) en hoofdauteur van een paper in The Astrofysisch tijdschrift die onderzoekt hoe de eerste supernovae de stervorming beïnvloedde en, mee, de evolutie van het heelal. "Die eerste sterren waren erg massief, en de supernova's die van deze eerste sterren kwamen, waren ook de bron van de meeste zware elementen in het periodiek systeem. Voor kosmologen, deze metalen zijn erg belangrijk omdat ze voor koeling zorgden en de massaschaal van de sterformatie veranderden, die later ook het uiterlijk van sterrenstelsels bepaalden."

Voor deze studie is Chen en collega's van Portsmouth University en Universität Heidelberg voerden simulaties uit op de Edison-supercomputer van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van het Lawrence Berkeley National Laboratory om te illustreren hoe zware metalen die uit exploderende supernova's werden verdreven, de eerste sterren in het universum hielpen bij het reguleren van de daaropvolgende stervorming. Het idee was om Chen's eerdere supernova-onderzoek te nemen en uit te breiden naar de kosmologie. NERSC is een DOE Office of Science User Facility.

"We wilden de dood van de massieve sterren in het vroege universum - de supernova's - begrijpen en hoe hun explosies later de stervorming in het universum beïnvloedden, Chen zei. "Er zijn veel scenario's waarin zware elementen van de eerste supernova's werden opgenomen in sterren van de tweede generatie, maar kosmologische simulaties modelleren ze op de grootste schaal. Kosmologen hebben de neiging om de vorming van sterrenstelsels of kosmische structuren te willen zien. Maar in dat soort simulaties ben je niet in staat om de kleine details op te lossen, de fijne structuren van hoe de supernova's het omringende gas daadwerkelijk beïnvloeden en de stervorming veranderen."

Donkere materie Halo fotoverdamping

Dus hij en zijn medewerkers runden kleinschalig, simulaties met hoge resolutie van de chemische verrijking van een halo van donkere materie via metalen van een nabijgelegen supernova-explosie na gedeeltelijke verdamping door de voorloperster. Het team gebruikte enkele honderdduizenden rekenuren bij NERSC om een ​​reeks 2D- en 3D-simulaties te produceren die hen hielpen de rol van halo-fotoverdamping van donkere materie te onderzoeken - waarbij energetische straling gas ioniseert en ervoor zorgt dat het weg van de halo wordt verspreid - speelde niet alleen bij de vroege vorming van sterren, maar ook bij de assemblage van latere sterrenstelsels.

"In het vroege heelal, de sterren waren enorm en de straling die ze uitstraalden was erg sterk, Chen legde uit. "Dus als je deze straling hebt voordat die ster explodeert en een supernova wordt, de straling heeft al aanzienlijke schade aangericht aan het gas rond de halo van de ster."

De gedeeltelijke verdamping van de halo voorafgaand aan de explosie is cruciaal voor de latere verrijking door de supernova, benadrukte hij. In aanvulling, hoe de metalen die door de explosie worden uitgestoten zich vermengen met de halo is van cruciaal belang voor het voorspellen van de hoeveelheid metalen in een ster van de tweede generatie, die de grootte en massa van deze sterren beïnvloedt en, dus, de samenstelling van de melkweg. Maar eerdere kosmologische studies hebben de punten tussen stervorming en melkwegvorming niet in dit soort detail met elkaar verbonden, merkte Chen op. Dat bracht de onderzoekers ertoe om een ​​multischaal, multi-fysica benadering, met twee verschillende codes:ZEUS-MP, die het stralingstransport heeft dat nodig is om de halo te verdampen, en CASTRO, die is ontwikkeld in Berkeley Lab en de adaptieve mesh-verfijning heeft die nodig is om de botsing van het uitgeworpen metaal met de halo op te lossen.

"De technische details en verschillende fysica maken deze simulaties veel gecompliceerder en moeilijker, maar we proberen de kloof te dichten tussen simulaties op kleine stellaire schaal en grote galactische schaal, "Chen zei, eraan toevoegend dat hij gelooft dat deze studie een primeur is. "We proberen de grenzen te verleggen en verbinden wat lijkt op twee verschillende dingen, maar ze zijn eigenlijk nauw op elkaar afgestemd."

Chen - die sinds 2009 computergebruik bij NERSC heeft, beginnend toen hij een afgestudeerde student was aan de Universiteit van Minnesota, Twin Cities:dankt het personeel van het centrum en de supercomputers voor het mogelijk maken van dit werk.

"De cruciale factor om ervoor te zorgen dat de machine het meest productief wordt, is niet alleen de snelheid van die machine, maar ook hoe effectief u de taak kunt uitvoeren, en dat vereist een aanzienlijke ondersteuningsinspanning van het wetenschappelijk en technisch personeel. Hierdoor kan veel sneller worden gewerkt, en dat is heel kritisch."