En ny datorsimulering hjälper till att förklara förekomsten av förbryllande supermassiva svarta hål som observerades i det tidiga universum. Simuleringen bygger på en datorkod som används för att förstå kopplingen mellan strålning och vissa material.

"Supermassiva svarta hål har en hastighetsgräns som styr hur snabbt och hur stora de kan växa, " sa Joseph Smidt från Theoretical Design Division vid Los Alamos National Laboratory, "Den relativt nya upptäckten av supermassiva svarta hål i universums tidiga utveckling väckte en grundläggande fråga, hur blev de så stora så snabbt?"

Använda datorkoder utvecklade vid Los Alamos för att modellera interaktionen mellan materia och strålning relaterad till labbets lageruppdrag, Smidt och kollegor skapade en simulering av kollapsande stjärnor som resulterade i att supermassiva svarta hål bildades på kortare tid än förväntat, kosmologiskt sett, under universums första miljarder år.

"Det visar sig att medan supermassiva svarta hål har en tillväxthastighetsgräns, vissa typer av massiva stjärnor gör det inte, sa Smidt. Vi frågade, tänk om vi kunde hitta en plats där stjärnor kunde växa mycket snabbare, kanske till storleken av många tusen solar; skulle de kunna bilda supermassiva svarta hål på kortare tid?"

Det visar sig att Los Alamos-datormodellen inte bara bekräftar möjligheten för snabb supermassiv bildning av svarta hål, men passar också många andra fenomen med svarta hål som rutinmässigt observeras av astrofysiker. Forskningen visar att de simulerade supermassiva svarta hålen också interagerar med galaxer på samma sätt som observeras i naturen, inklusive stjärnbildningshastigheter, galaxdensitetsprofiler, och termiska och joniseringshastigheter i gaser.

"Detta var i stort sett oväntat, ", sa Smidt. "Jag trodde att den här idén om att odla en massiv stjärna i en speciell konfiguration och bilda ett svart hål med rätt sorts massor var något vi kunde uppskatta, men att se det svarta hålet som inducerar stjärnbildning och driver dynamiken på sätt som vi har observerat i naturen var verkligen grädden på moset."

Ett viktigt uppdragsområde vid Los Alamos National Laboratory är att förstå hur strålning interagerar med vissa material. Eftersom supermassiva svarta hål producerar enorma mängder het strålning, deras beteende hjälper till att testa datorkoder utformade för att modellera kopplingen mellan strålning och materia. Koderna används, tillsammans med stora och småskaliga experiment, för att garantera säkerheten, säkerhet, och effektiviteten hos USA:s kärnvapenavskräckning.

"Vi har kommit till en punkt vid Los Alamos, sa Smidt, "med datorkoderna vi använder, fysikförståelsen, och superdatorfaciliteterna, att vi kan göra detaljerade beräkningar som replikerar några av de krafter som driver universums utveckling."

Forskningsuppsats tillgänglig på arxiv.org/pdf/1703.00449.pdf