Slechts milliseconden na de oerknal van het universum heerste chaos. Atoomkernen versmolten en braken uiteen in hete, waanzinnige beweging. Ongelooflijk sterke drukgolven bouwden zich op en drukten de materie zo dicht tegen elkaar dat er zwarte gaten ontstonden, die astrofysici oerzwarte gaten noemen.

Hebben oerzwarte gaten de vorming van de eerste sterren van het universum, die uiteindelijk ongeveer 100 miljoen jaar later werden geboren, geholpen of belemmerd?

Supercomputersimulaties hielpen bij het onderzoeken van deze kosmische vraag, dankzij simulaties op de Stampede2-supercomputer van het Texas Advanced Computing Center (TACC), onderdeel van de Universiteit van Texas in Austin.

"We ontdekten dat het standaardbeeld van de vorming van de eerste ster niet echt wordt veranderd door oerzwarte gaten", zegt Boyuan Liu, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Cambridge. Liu is de hoofdauteur van onderzoek naar computationele astrofysica, gepubliceerd in augustus 2022 in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

In het vroege universum stelt het standaardmodel van de astrofysica dat zwarte gaten de vorming van halo-achtige structuren hebben gezaaid vanwege hun zwaartekracht, analoog aan hoe wolken worden gevormd door te worden gezaaid door stofdeeltjes. Dit is een pluspunt voor stervorming, waar deze structuren dienden als steigers die hielpen samen te smelten tot de eerste sterren en sterrenstelsels.

Een zwart gat veroorzaakt echter ook verwarming door gas of puin dat erin valt. Dit vormt een hete accretieschijf rond het zwarte gat, die energetische fotonen uitzendt die het omringende gas ioniseren en verwarmen.

En dat is een minpuntje voor stervorming, aangezien gas moet afkoelen om te kunnen condenseren tot een dichtheid die hoog genoeg is om een ​​kernreactie op gang te brengen, waardoor de ster in vuur en vlam staat.

"We ontdekten dat deze twee effecten - verwarming en zaaien van zwarte gaten - elkaar bijna opheffen en dat de uiteindelijke impact klein is voor stervorming," zei Liu.

Afhankelijk van welk effect het wint van het andere, kan stervorming worden versneld, vertraagd of voorkomen door oerzwarte gaten. "Dit is de reden waarom oer-zwarte gaten belangrijk kunnen zijn", voegde hij eraan toe.

Liu benadrukte dat je alleen met state-of-the-art kosmologische simulaties het samenspel tussen de twee effecten kan begrijpen.

Wat betreft het belang van oer-zwarte gaten, impliceerde het onderzoek ook dat ze interageren met de eerste sterren en zwaartekrachtsgolven produceren. "Ze kunnen mogelijk ook de vorming van superzware zwarte gaten veroorzaken. Deze aspecten zullen worden onderzocht in vervolgstudies", voegde Liu eraan toe.

Voor de studie gebruikten Liu en collega's kosmologische hydrodynamische zoom-in-simulaties als hun hulpmiddel voor ultramoderne numerieke schema's van de zwaartekrachthydrodynamica, chemie en koeling in structuurvorming en vroege stervorming.

"Een belangrijk effect van primordiale zwarte gaten is dat ze zaden zijn van structuren," zei Liu. Zijn team bouwde het model dat dit proces implementeerde, evenals de verwarming van oerzwarte gaten.

Vervolgens voegden ze een subrastermodel toe voor accretie en feedback van zwarte gaten. Het model berekent bij elke tijdstap hoe een zwart gat gas ophoopt en ook hoe het zijn omgeving verwarmt.

"Dit is gebaseerd op de omgeving rond het zwarte gat die bekend is in de simulaties tijdens de vlucht," zei Liu.

XSEDE heeft het wetenschappelijke team toewijzingen toegekend op het Stampede2-systeem van TACC.

"Supercomputingbronnen in computationele astrofysica zijn absoluut essentieel", zegt co-auteur Volker Bromm, professor en voorzitter van het Department of Astronomy, UT Austin.

Bromm legde uit dat in de theoretische astrofysica het heersende paradigma voor het begrijpen van de vorming en evolutie van kosmische structuur het gebruik van ab initio-simulaties is, die het 'spelboek' van het universum zelf volgen - de regerende vergelijkingen van de natuurkunde.

De simulaties gebruiken gegevens van de beginomstandigheden van het universum tot hoge precisie op basis van waarnemingen van de kosmische microgolfachtergrond. Vervolgens worden simulatieboxen opgesteld die de kosmische evolutie tijdstap voor tijdstap volgen.

Maar de uitdagingen bij computationele simulatie van structuurvorming liggen in de manier waarop grote schalen van het universum - miljoenen tot miljarden lichtjaren en miljarden jaren - in elkaar grijpen met de atomaire schalen waar stellaire chemie plaatsvindt.

"De microkosmos en de macrokosmos werken op elkaar in," zei Bromm.

"De middelen van TACC en XSEDE waren absoluut essentieel voor ons om de grenzen van de computerastrofysica te verleggen. Iedereen die aan de UT Austin werkt - faculteitsleden, postdocs, studenten - profiteert van het feit dat we zo'n eersteklas supercomputercentrum hebben. dankbaar," voegde Bromm eraan toe.

"Als we kijken naar één typische structuur die de eerste sterren kan vormen, hebben we ongeveer een miljoen elementen nodig om deze halo of structuur volledig op te lossen", zei Liu. "Daarom moeten we bij TACC supercomputers gebruiken."

Liu zei dat met Stampede2 een simulatie op 100 cores in slechts een paar uur kan worden voltooid in plaats van jaren op een laptop, om nog maar te zwijgen van de knelpunten met geheugen en het lezen of schrijven van gegevens.

"Het algemene plan van ons werk is dat we willen begrijpen hoe het universum is getransformeerd vanuit de eenvoudige beginvoorwaarden van de oerknal", legt Bromm uit.

De structuren die uit de oerknal zijn voortgekomen, werden gedreven door het dynamische belang van donkere materie.

De aard van donkere materie blijft een van de grootste mysteries in de wetenschap.

De aanwijzingen van deze hypothetische maar niet waarneembare substantie zijn onmiskenbaar, gezien in de onmogelijke rotatiesnelheden van sterrenstelsels. De massa van alle sterren en planeten in sterrenstelsels zoals onze Melkweg heeft niet genoeg zwaartekracht om te voorkomen dat ze uit elkaar vliegen. De 'x-factor' wordt donkere materie genoemd, maar laboratoria hebben het nog niet direct gedetecteerd.

Er zijn echter zwaartekrachtgolven gedetecteerd, eerst door LIGO in 2015.

"Het is mogelijk dat oer-zwarte gaten deze zwaartekrachtgolfgebeurtenissen kunnen verklaren die we de afgelopen zeven jaar hebben gedetecteerd", zei Liu. "Dit motiveert ons gewoon."

Bromm zei:"Supercomputers maken ongekende nieuwe inzichten mogelijk in hoe het universum werkt. Het universum biedt ons extreme omgevingen die buitengewoon uitdagend zijn om te begrijpen. Dit geeft ook de motivatie om steeds krachtigere rekenarchitecturen te bouwen en betere algoritmische structuren te bedenken. grote schoonheid en kracht in het voordeel van iedereen."

De studie, "Effects of stellaire primordiale zwarte gaten op eerste stervorming", werd in augustus 2022 gepubliceerd in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . De auteurs van de studie zijn Boyuan Liu, Saiyang Zhang en Volker Bromm van de Universiteit van Texas in Austin. Liu is nu aan de Universiteit van Cambridge. + Verder verkennen

Vormden zwarte gaten direct na de oerknal?