Der Supercomputer Stampede2 simuliert die Sternentstehung und die Erwärmungseffekte ursprünglicher Schwarzer Löcher

Nur Millisekunden nach dem Urknall des Universums herrschte Chaos. Atomkerne verschmolzen und brachen in heißer, rasender Bewegung auseinander. Unglaublich starke Druckwellen bauten sich auf und drückten Materie so eng zusammen, dass schwarze Löcher entstanden, die Astrophysiker primordiale Schwarze Löcher nennen.

Haben ursprüngliche Schwarze Löcher die Bildung der ersten Sterne des Universums unterstützt oder behindert, die schließlich etwa 100 Millionen Jahre später geboren wurden?

Supercomputer-Simulationen halfen, diese kosmische Frage zu untersuchen, dank Simulationen auf dem Stampede2-Supercomputer des Texas Advanced Computing Center (TACC), Teil der University of Texas in Austin.

„Wir fanden heraus, dass das Standardbild der ersten Sternentstehung durch primordiale Schwarze Löcher nicht wirklich verändert wird“, sagte Boyuan Liu, Postdoktorand an der University of Cambridge. Liu ist der Hauptautor der Forschung zur computergestützten Astrophysik, die im August 2022 in veröffentlicht wurde Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.

Im frühen Universum geht das Standardmodell der Astrophysik davon aus, dass Schwarze Löcher aufgrund ihrer Anziehungskraft die Bildung von Halo-ähnlichen Strukturen auslösten, analog zu der Bildung von Wolken, indem sie von Staubpartikeln ausgesät werden. Dies ist ein Plus für die Sternentstehung, wo diese Strukturen als Gerüste dienten, die dazu beitrugen, Materie zu den ersten Sternen und Galaxien zu verschmelzen.

Ein Schwarzes Loch verursacht jedoch auch eine Erwärmung durch Gas oder Trümmer, die hineinfallen. Dadurch bildet sich eine heiße Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch, die energiereiche Photonen aussendet, die das umgebende Gas ionisieren und erhitzen.

Und das ist ein Minus für die Sternentstehung, da Gas abkühlen muss, um auf eine ausreichend hohe Dichte kondensieren zu können, damit eine Kernreaktion ausgelöst wird, die den Stern in Brand setzt.

„Wir haben festgestellt, dass diese beiden Effekte – Erwärmung und Aussaat von Schwarzen Löchern – sich gegenseitig fast aufheben und der endgültige Einfluss für die Sternentstehung gering ist“, sagte Liu.

Je nachdem, welcher Effekt überwiegt, kann die Sternentstehung durch urzeitliche Schwarze Löcher beschleunigt, verzögert oder verhindert werden. „Deshalb können ursprüngliche Schwarze Löcher wichtig sein“, fügte er hinzu.

Liu betonte, dass man das Zusammenspiel der beiden Effekte nur mit modernsten kosmologischen Simulationen verstehen könne.

In Bezug auf die Bedeutung ursprünglicher Schwarzer Löcher implizierte die Forschung auch, dass sie mit den ersten Sternen interagieren und Gravitationswellen erzeugen. „Möglicherweise können sie auch die Bildung von supermassiven Schwarzen Löchern auslösen. Diese Aspekte werden in Folgestudien untersucht“, fügte Liu hinzu.

Für die Studie verwendeten Liu und Kollegen kosmologische hydrodynamische Zoom-In-Simulationen als ihr Werkzeug für modernste numerische Schemata der Gravitationshydrodynamik, Chemie und Kühlung bei der Strukturbildung und frühen Sternentstehung.

„Ein Schlüsseleffekt ursprünglicher Schwarzer Löcher ist, dass sie Samen von Strukturen sind“, sagte Liu. Sein Team baute das Modell, das diesen Prozess implementierte, und integrierte die Erwärmung durch urzeitliche Schwarze Löcher.

Anschließend fügten sie ein Sub-Grid-Modell für die Akkretion und Rückkopplung von Schwarzen Löchern hinzu. Das Modell berechnet in jedem Zeitschritt, wie ein Schwarzes Loch Gas ansammelt und auch, wie es seine Umgebung erwärmt.

„Dies basiert auf der Umgebung des Schwarzen Lochs, die in den Simulationen im laufenden Betrieb bekannt ist“, sagte Liu.

XSEDE erteilte dem Wissenschaftsteam Zuweisungen für das Stampede2-System von TACC.

„Supercomputing-Ressourcen in der computergestützten Astrophysik sind absolut unerlässlich“, sagte der Co-Autor der Studie, Volker Bromm, Professor und Vorsitzender, Department of Astronomy, UT Austin.

Bromm erklärte, dass in der theoretischen Astrophysik das vorherrschende Paradigma für das Verständnis der Entstehung und Entwicklung kosmischer Strukturen darin besteht, Ab-initio-Simulationen zu verwenden, die dem „Spielbuch“ des Universums selbst folgen – den maßgeblichen Gleichungen der Physik.

Die Simulationen verwenden hochpräzise Daten aus den Anfangsbedingungen des Universums, basierend auf Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Anschließend werden Simulationsboxen aufgebaut, die die kosmische Entwicklung Zeitschritt für Zeitschritt verfolgen.

Die Herausforderungen bei der Computersimulation der Strukturbildung liegen jedoch in der Art und Weise, wie große Maßstäbe des Universums – Millionen bis Milliarden von Lichtjahren und Milliarden von Jahren – mit den atomaren Maßstäben ineinandergreifen, auf denen die Sternchemie stattfindet.

„Der Mikrokosmos und der Makrokosmos interagieren“, sagte Bromm.

„TACC- und XSEDE-Ressourcen waren für uns absolut entscheidend, um die Grenzen der computergestützten Astrophysik zu erweitern. Jeder, der an der UT Austin ist – Fakultätsmitglieder, Postdocs, Studenten – profitiert von der Tatsache, dass wir ein so erstklassiges Supercomputing-Zentrum haben. Ich bin extrem dankbar“, fügte Bromm hinzu.

„Wenn wir uns eine typische Struktur ansehen, die die ersten Sterne bilden kann, brauchen wir etwa eine Million Elemente, um diesen Halo oder diese Struktur vollständig aufzulösen“, sagte Liu. „Deshalb müssen wir bei TACC Supercomputer einsetzen.“

Liu sagte, dass mit Stampede2 eine Simulation, die auf 100 Kernen läuft, in nur wenigen Stunden abgeschlossen werden kann im Vergleich zu Jahren auf einem Laptop, ganz zu schweigen von den Engpässen beim Speicher und beim Lesen oder Schreiben von Daten.

„Der allgemeine Spielplan unserer Arbeit ist, dass wir verstehen wollen, wie sich das Universum von den einfachen Anfangsbedingungen des Urknalls verändert hat“, erklärte Bromm.

Die aus dem Urknall entstandenen Strukturen wurden durch die dynamische Bedeutung der Dunklen Materie angetrieben.

Die Natur der Dunklen Materie bleibt eines der größten Rätsel der Wissenschaft.

Die Hinweise auf diese hypothetische, aber nicht beobachtbare Substanz sind unbestreitbar, gesehen in den unmöglichen Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien. Die Masse aller Sterne und Planeten in Galaxien wie unserer Milchstraße haben nicht genug Schwerkraft, um sie davon abzuhalten, auseinanderzufliegen. Der „x-Faktor“ wird dunkle Materie genannt, aber Labore haben ihn noch nicht direkt nachgewiesen.

Allerdings wurden Gravitationswellen entdeckt, zuerst von LIGO im Jahr 2015.

„Es ist möglich, dass ursprüngliche Schwarze Löcher diese Gravitationswellenereignisse erklären können, die wir in den letzten sieben Jahren entdeckt haben“, sagte Liu. „Das motiviert uns einfach.“

Sagte Bromm: „Supercomputer ermöglichen beispiellose neue Einblicke in die Funktionsweise des Universums. Das Universum bietet uns extreme Umgebungen, die extrem schwer zu verstehen sind. Dies motiviert auch, immer leistungsfähigere Rechenarchitekturen zu bauen und bessere algorithmische Strukturen zu entwickeln große Schönheit und Kraft zum Wohle aller.“

Die Studie „Effects of stellar-mass primordial black hole on first star formation“ wurde im August 2022 in der veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society. Die Autoren der Studie sind Boyuan Liu, Saiyang Zhang und Volker Bromm von der University of Texas at Austin. Liu ist jetzt an der University of Cambridge.