Zaledwie milisekundy po Wielkim Wybuchu we wszechświecie zapanował chaos. Jądra atomowe łączyły się i rozpadały w gorącym, szaleńczym ruchu. Niewiarygodnie silne fale ciśnieniowe nagromadziły się i ścisnęły materię tak mocno, że powstały czarne dziury, które astrofizycy nazywają pierwotnymi czarnymi dziurami.

Czy pierwotne czarne dziury pomogły czy przeszkodziły w uformowaniu się pierwszych gwiazd we wszechświecie, które ostatecznie narodziły się około 100 milionów lat później?

Symulacje superkomputerowe pomogły zbadać to kosmiczne pytanie, dzięki symulacjom na superkomputerze Stampede2 w Texas Advanced Computing Center (TACC), części The University of Texas at Austin.

„Odkryliśmy, że standardowy obraz powstawania pierwszych gwiazd nie jest tak naprawdę zmieniany przez pierwotne czarne dziury” – powiedział Boyuan Liu, badacz podoktorski na Uniwersytecie w Cambridge. Liu jest głównym autorem badań z zakresu astrofizyki obliczeniowej opublikowanych 2022 sierpnia w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

We wczesnym Wszechświecie standardowy model astrofizyki zakłada, że czarne dziury zasiały formację struktur halo dzięki swojemu przyciąganiu grawitacyjnemu, analogicznie do tego, jak chmury tworzą się dzięki zasianiu przez cząstki pyłu. Jest to korzystne dla formowania się gwiazd, gdzie struktury te służyły jako rusztowanie, które pomogło materii połączyć się w pierwsze gwiazdy i galaktyki.

Jednak czarna dziura powoduje również ogrzewanie przez wpadający do niej gaz lub odłamki. Tworzy to gorący dysk akrecyjny wokół czarnej dziury, który emituje energetyczne fotony, które jonizują i ogrzewają otaczający gaz.

A to jest minus dla formowania się gwiazd, ponieważ gaz musi się ochłodzić, aby móc skondensować się do wystarczająco dużej gęstości, aby wyzwolić reakcję jądrową, podpalając gwiazdę.

„Stwierdziliśmy, że te dwa efekty — ogrzewanie czarnej dziury i zasiew – prawie się znoszą, a ostateczny wpływ jest niewielki na formowanie się gwiazd” – powiedział Liu.

W zależności od tego, który efekt wygrywa nad drugim, formowanie gwiazd może być przyspieszone, opóźnione lub uniemożliwione przez pierwotne czarne dziury. „Dlatego właśnie pierwotne czarne dziury mogą być ważne” – dodał.

Liu podkreślił, że dopiero dzięki najnowocześniejszym symulacjom kosmologicznym można zrozumieć wzajemne oddziaływanie tych dwóch efektów.

Jeśli chodzi o znaczenie pierwotnych czarnych dziur, badania sugerowały również, że wchodzą one w interakcje z pierwszymi gwiazdami i wytwarzają fale grawitacyjne. „Mogą również być w stanie wywołać formowanie się supermasywnych czarnych dziur. Te aspekty zostaną zbadane w dalszych badaniach” – dodał Liu.

Do badań Liu i współpracownicy wykorzystali kosmologiczne hydrodynamiczne symulacje powiększające jako ich narzędzie do najnowocześniejszych schematów numerycznych hydrodynamiki grawitacyjnej, chemii i chłodzenia w formowaniu struktur i wczesnym formowaniu gwiazd.

„Kluczowym efektem pierwotnych czarnych dziur jest to, że są one nasionami struktur” – powiedział Liu. Jego zespół zbudował model, który zaimplementował ten proces, jak również uwzględnił ogrzewanie od pierwotnych czarnych dziur.

Następnie dodali model cząstkowy dla akrecji czarnych dziur i sprzężenia zwrotnego. Model ten oblicza w każdym kroku czasowym, jak czarna dziura akreuje gaz, a także jak ogrzewa swoje otoczenie.

„Jest to oparte na środowisku wokół czarnej dziury znanym w symulacjach w locie” – powiedział Liu.

XSEDE przyznało zespołowi naukowemu przydziały na systemie Stampede2 w TACC.

„Zasoby superkomputerowe w astrofizyce obliczeniowej są absolutnie niezbędne” – powiedział współautor badania Volker Bromm, profesor i przewodniczący, Wydział Astronomii, UT Austin.

Bromm wyjaśnił, że w astrofizyce teoretycznej, obowiązującym paradygmatem dla zrozumienia powstawania i ewolucji struktury kosmicznej jest użycie symulacji ab initio, które podążają za „podręcznikiem” samego wszechświata — równaniami rządzącymi fizyką.

Symulacje wykorzystują dane o warunkach początkowych Wszechświata z dużą dokładnością oparte na obserwacjach kosmicznego tła mikrofalowego. Następnie tworzone są pola symulacyjne, które śledzą ewolucję kosmosu krok po kroku.

Ale wyzwania w obliczeniowej symulacji tworzenia się struktur leżą w sposobie, w jaki duże skale wszechświata – miliony do miliardów lat świetlnych i miliardów lat – łączą się ze skalami atomowymi, w których zachodzi chemia gwiezdna.

„Mikrokosmos i makrokosmos oddziałują na siebie” – powiedział Bromm.

„Zasoby TACC i XSEDE były dla nas absolutnie niezbędne, aby przesunąć granicę astrofizyki obliczeniowej. Każdy, kto jest w UT Austin – członkowie wydziału, postdocs, studenci – korzysta z faktu, że mamy takie premierowe centrum superkomputerowe. Jestem niezmiernie wdzięczny”, dodał Bromm.

„Jeśli spojrzymy na jedną typową strukturę, która może uformować pierwsze gwiazdy, potrzebujemy około miliona elementów, aby w pełni rozwiązać to halo lub strukturę”, powiedział Liu. „Dlatego właśnie musimy korzystać z superkomputerów w TACC”.

Liu powiedział, że używając Stampede2, symulację działającą na 100 rdzeniach można ukończyć w kilka godzin w porównaniu z latami na laptopie, nie wspominając o wąskich gardłach z pamięcią i odczytem lub zapisem danych.

„Ogólny plan naszej pracy polega na tym, że chcemy zrozumieć, w jaki sposób wszechświat został przekształcony z prostych warunków początkowych Wielkiego Wybuchu” – wyjaśnia Bromm.

Struktury powstałe po Wielkim Wybuchu były napędzane przez dynamiczne znaczenie ciemnej materii.

Natura ciemnej materii pozostaje jedną z największych tajemnic nauki.

Wskazówki dotyczące tej hipotetycznej, lecz nieobserwowalnej substancji są niezaprzeczalne, widoczne w niemożliwych do osiągnięcia prędkościach obrotowych galaktyk. Masa wszystkich gwiazd i planet w galaktykach takich jak nasza Droga Mleczna nie ma wystarczającej grawitacji, aby utrzymać je przed rozlatywaniem się. Ten „czynnik x” nazywany jest ciemną materią, jednak laboratoria nie wykryły go jeszcze bezpośrednio.

Jednak fale grawitacyjne zostały wykryte, po raz pierwszy przez LIGO w 2015 roku.

„Możliwe jest, że pierwotne czarne dziury mogą wyjaśnić te zdarzenia związane z falami grawitacyjnymi, które wykrywaliśmy przez ostatnie siedem lat” – powiedział Liu. „To nas tylko motywuje”.

powiedział Bromm: „Superkomputery umożliwiają bezprecedensowy nowy wgląd w to, jak działa wszechświat. Wszechświat dostarcza nam ekstremalnych środowisk, które są niezwykle trudne do zrozumienia. Daje to również motywację do budowania coraz potężniejszych architektur obliczeniowych i opracowywania lepszych struktur algorytmicznych. Jest w tym wielkie piękno i moc z korzyścią dla wszystkich.”

Badanie, „Effects of stellar-mass primordial black holes on first star formation,” zostało opublikowane 2022 sierpnia w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Autorami badania są Boyuan Liu, Saiyang Zhang i Volker Bromm z University of Texas at Austin. Liu pracuje obecnie na Uniwersytecie w Cambridge.

Źródło: University of Texas at Austin, Texas Advanced Computing Center. Jorge Salazar