I sina respektive ansträngningar att förstå universum och allt det innefattar, det finns ett talande gap mellan vad kosmologer och astrofysiker studerar och hur de studerar det:skala. Kosmologer fokuserar vanligtvis på de storskaliga egenskaperna hos universum som helhet, såsom galaxer och intergalaktiskt medium; medan astrofysiker är mer intresserade av att testa fysikaliska teorier om små till medelstora objekt, som stjärnor, supernovor och interstellärt medium.

Och ändå är de två fälten mer inriktade än det kan tyckas vid första anblicken, speciellt när man tittar på hur det tidiga universum bildades.

"De första supernovorna är särskilt intressanta inte bara för människor som studerar stjärnor utan också de som gör kosmologi, sa Ken Chen, en astrofysiker vid East Asian Core Observatories Association (EACOA) och huvudförfattare på en artikel i The Astrofysisk tidskrift som undersöker hur de första supernovorna påverkade stjärnbildningen och, tillsammans med det, universums utveckling. "De första stjärnorna var väldigt massiva, och supernovorna som kom från dessa första stjärnor var också källan till de flesta av de tunga grundämnena i det periodiska systemet. För kosmologer, dessa metaller är mycket viktiga eftersom de gav kylning och förändrade massskalan för stjärnbildningen, som också bestämde utseendet på galaxer senare."

För denna studie, Chen och kollegor från Portsmouth University och Universität Heidelberg körde simuleringar på Edisons superdator vid Lawrence Berkeley National Laboratorys National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) för att illustrera hur tungmetaller som drivs ut från exploderande supernovor hjälpte de första stjärnorna i universum att reglera efterföljande stjärnbildning. Tanken var att ta Chens tidigare supernovaforskning och utvidga den till kosmologi. NERSC är en DOE Office of Science User Facility.

"Vi ville förstå döden av de massiva stjärnorna i det tidiga universum - supernovorna - och hur deras explosioner senare påverkade stjärnbildningen i universum, ", sa Chen. "Det finns många scenarier där tunga grundämnen från de första supernovorna togs upp till andra generationens stjärnor, men kosmologiska simuleringar modellerar dem på de största skalorna. Kosmologer tenderar att vilja se bildandet av galaxer eller kosmiska strukturer. Men i den typen av simuleringar kan du inte lösa de små detaljerna, de fina strukturerna för hur supernovorna faktiskt påverkar den omgivande gasen och förändrar stjärnbildningen."

Dark Matter Halo Photoevaporation

Så han och hans medarbetare drev småskaligt, Högupplösta simuleringar av den kemiska anrikningen av en mörk materiahalo via metaller från en närliggande supernovaexplosion efter partiell avdunstning av stamfadersstjärnan. Teamet använde flera hundra tusen beräkningstimmar vid NERSC för att producera en serie 2D- och 3-D-simuleringar som hjälpte dem att undersöka rollen av mörk materia-halo-fotoevaporation – där energisk strålning joniserar gas och får den att spridas bort från halo- spelade inte bara i den tidiga bildandet av stjärnor utan också i sammansättningen av senare galaxer.

"I det tidiga universum, stjärnorna var massiva och strålningen de avgav var mycket stark, ", förklarade Chen. "Så om du har den här strålningen innan stjärnan exploderar och blir en supernova, strålningen har redan orsakat betydande skada på gasen som omger stjärnans gloria."

Den partiella avdunstning av halo före explosionen är avgörande för dess senare anrikning av supernovan, betonade han. Dessutom, hur metallerna som kastas ut från explosionen blandas med halo är avgörande för att förutsäga mängden metaller i en andra generationens stjärna, som påverkar storleken och massan av dessa stjärnor och, Således, galaxens sammansättning. Men tidigare kosmologiska studier har inte kopplat prickarna mellan stjärnbildning och galaxbildning i denna typ av detalj, Chen noterade. Det var det som fick forskarna att använda en multi-skala, multifysik tillvägagångssätt, använder två olika koder:ZEUS-MP, som har den strålningstransport som krävs för att förånga halon, och CASTRO, som utvecklades vid Berkeley Lab och har den adaptiva nätförfining som behövs för att lösa kollisionen mellan den utstötta metallen och halo.

"De tekniska detaljerna och olika fysik gör dessa simuleringar mycket mer komplicerade och svåra, men vi försöker fylla gapet mellan simuleringar i liten stjärnskala och stor galaktisk skala, Chen sa, och tillägger att han tror att denna studie är den första i sitt slag. "Vi försöker tänja på gränserna och koppla ihop vad som verkar vara två olika saker, men de är faktiskt nära inriktade."

Chen – som har datorat på NERSC sedan 2009, från och med när han var doktorand vid University of Minnesota, Twin Cities – krediterar centrets personal såväl som superdatorerna för att göra detta möjligt.

"Den kritiska faktorn för att få maskinen att bli den mest produktiva handlar inte bara om hastigheten på den maskinen utan hur effektivt du kan köra jobbet, och det kräver betydande ansträngningar av stöd från den vetenskapliga och tekniska personalen. Detta gör det möjligt att arbeta mycket snabbare, och det är väldigt kritiskt."