Un supercalculateur simule l’ensemencement d’étoiles et les effets de chauffage des trous noirs primordiaux


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  • Quelques millisecondes seulement après le Big Bang de l’univers, le chaos régnait. Les noyaux atomiques ont fusionné et se sont brisés dans un mouvement chaud et frénétique. Des ondes de pression incroyablement fortes se sont accumulées et ont tellement serré la matière que des trous noirs se sont formés, que les astrophysiciens appellent des trous noirs primordiaux.

    Les trous noirs primordiaux ont-ils aidé ou entravé la formation des premières étoiles de l’univers, finalement nées environ 100 millions d’années plus tard ?

    Des simulations de supercalculateurs ont aidé à étudier cette question cosmique, grâce à des simulations sur le supercalculateur Stampede2 du Texas Advanced Computing Center (TACC), qui fait partie de l’Université du Texas à Austin.

    « Nous avons constaté que l’image standard de la formation des premières étoiles n’est pas vraiment modifiée par les trous noirs primordiaux », a déclaré Boyuan Liu, chercheur post-doctoral à l’Université de Cambridge. Liu est l’auteur principal de la recherche en astrophysique computationnelle publiée en août 2022 dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

    Dans l’univers primitif, le modèle standard de l’astrophysique soutient que les trous noirs ont ensemencé la formation de structures en forme de halo en vertu de leur attraction gravitationnelle, analogue à la façon dont les nuages ​​​​se forment en étant ensemencés par des particules de poussière. C’est un plus pour la formation des étoiles, où ces structures ont servi d’échafaudage qui a aidé la matière à fusionner dans les premières étoiles et galaxies.

    Cependant, un trou noir provoque également un échauffement par le gaz ou les débris qui y tombent. Cela forme un disque d’accrétion chaud autour du trou noir, qui émet des photons énergétiques qui ionisent et chauffent le gaz environnant.

    Et c’est un inconvénient pour la formation d’étoiles, car le gaz doit se refroidir pour pouvoir se condenser à une densité suffisamment élevée pour qu’une réaction nucléaire se déclenche, mettant le feu à l’étoile.

    « Nous avons constaté que ces deux effets – le chauffage et l’ensemencement des trous noirs – s’annulent presque et l’impact final est faible pour la formation d’étoiles », a déclaré Liu.

    Selon l’effet qui l’emporte sur l’autre, la formation d’étoiles peut être accélérée, retardée ou empêchée par les trous noirs primordiaux. « C’est pourquoi les trous noirs primordiaux peuvent être importants », a-t-il ajouté.

    Liu a souligné que ce n’est qu’avec des simulations cosmologiques de pointe que l’on peut comprendre l’interaction entre les deux effets.

    Concernant l’importance des trous noirs primordiaux, la recherche impliquait également qu’ils interagissaient avec les premières étoiles et produisaient des ondes gravitationnelles. « Ils peuvent également être capables de déclencher la formation de trous noirs supermassifs. Ces aspects seront étudiés dans des études de suivi », a ajouté Liu.

    Pour l’étude, Liu et ses collègues ont utilisé des simulations de zoom avant hydrodynamiques cosmologiques comme outil pour des schémas numériques de pointe de l’hydrodynamique, de la chimie et du refroidissement de la gravité dans la formation de structures et la formation d’étoiles précoces.

    « Un effet clé des trous noirs primordiaux est qu’ils sont des graines de structures », a déclaré Liu. Son équipe a construit le modèle qui a mis en œuvre ce processus, ainsi que l’incorporation du chauffage des trous noirs primordiaux.

    Ils ont ensuite ajouté un modèle de sous-grille pour l’accrétion et la rétroaction des trous noirs. Le modèle calcule à chaque pas de temps comment un trou noir accumule du gaz et aussi comment il chauffe son environnement.

    « Ceci est basé sur l’environnement autour du trou noir connu dans les simulations à la volée », a déclaré Liu.

    XSEDE a attribué les allocations à l’équipe scientifique sur le système Stampede2 de TACC.

    « Les ressources de supercalcul en astrophysique computationnelle sont absolument vitales », a déclaré le co-auteur de l’étude, Volker Bromm, professeur et directeur du département d’astronomie de l’UT Austin.

    Bromm a expliqué qu’en astrophysique théorique, le paradigme dominant pour comprendre la formation et l’évolution de la structure cosmique consiste à utiliser des simulations ab initio, qui suivent le « livre de jeu » de l’univers lui-même – les équations gouvernantes de la physique.

    Les simulations utilisent des données des conditions initiales de l’univers avec une grande précision sur la base d’observations du fond diffus cosmologique. Des boites de simulation sont alors mises en place qui suivent pas à pas l’évolution cosmique.

    Mais les défis de la simulation informatique de la formation des structures résident dans la façon dont les grandes échelles de l’univers – des millions à des milliards d’années-lumière et des milliards d’années – s’imbriquent avec les échelles atomiques où se produit la chimie stellaire.

    « Le microcosme et le macrocosme interagissent », a déclaré Bromm.

    « Les ressources TACC et XSEDE ont été absolument vitales pour nous de repousser la frontière de l’astrophysique computationnelle. Tous ceux qui sont à l’UT Austin – membres du corps professoral, postdoctorants, étudiants – bénéficient du fait que nous avons un tel centre de supercalcul. Je suis extrêmement reconnaissant », a ajouté Bromm.

    « Si nous examinons une structure typique qui peut former les premières étoiles, nous avons besoin d’environ un million d’éléments pour résoudre complètement ce halo ou cette structure », a déclaré Liu. « C’est pourquoi nous devons utiliser des supercalculateurs au TACC. »

    Liu a déclaré qu’en utilisant Stampede2, une simulation fonctionnant sur 100 cœurs peut se terminer en quelques heures seulement contre des années sur un ordinateur portable, sans parler des goulots d’étranglement liés à la mémoire et à la lecture ou à l’écriture de données.

    « Le plan de jeu global avec notre travail est que nous voulons comprendre comment l’univers s’est transformé à partir des simples conditions initiales du Big Bang », a expliqué Bromm.

    Les structures qui ont émergé du Big Bang étaient motivées par l’importance dynamique de la matière noire.

    La nature de la matière noire reste l’un des plus grands mystères de la science.

    Les indices de cette substance hypothétique mais inobservable sont indéniables, vus dans les vitesses de rotation impossibles des galaxies. La masse de toutes les étoiles et planètes dans des galaxies comme notre Voie lactée n’a pas assez de gravité pour les empêcher de s’envoler. Le « facteur x » est appelé matière noire, mais les laboratoires ne l’ont pas encore détecté directement.

    Cependant, des ondes gravitationnelles ont été détectées, d’abord par LIGO en 2015.

    « Il est possible que les trous noirs primordiaux puissent expliquer ces événements d’ondes gravitationnelles que nous avons détectés au cours des sept dernières années », a déclaré Liu. « Cela nous motive. »

    Dit Bromm : « Les superordinateurs permettent de nouvelles connaissances sans précédent sur le fonctionnement de l’univers. L’univers nous offre des environnements extrêmes qui sont extrêmement difficiles à comprendre. Cela nous motive également à construire des architectures de calcul toujours plus puissantes et à concevoir de meilleures structures algorithmiques. Il y a une grande beauté et une grande puissance au profit de tous. »

    L’étude, « Effets des trous noirs primordiaux de masse stellaire sur la formation des premières étoiles », a été publiée en août 2022 dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society. Les auteurs de l’étude sont Boyuan Liu, Saiyang Zhang et Volker Bromm de l’Université du Texas à Austin. Liu est maintenant à l’Université de Cambridge.

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