Bara millisekunder efter universums Big Bang rådde kaos. Atomkärnor smälte samman och bröts isär i heta, frenetiska rörelser. Otroligt starka tryckvågor byggdes upp och klämde ihop materia så hårt att det bildades svarta hål, som astrofysiker kallar ursvarta hål.

Hjälpte eller hindrade ursprungliga svarta hål bildandet av universums första stjärnor, som så småningom föddes cirka 100 miljoner år senare?

Superdatorsimuleringar hjälpte till att undersöka denna kosmiska fråga, tack vare simuleringar på superdatorn Stampede2 från Texas Advanced Computing Center (TACC), en del av University of Texas i Austin.

"Vi fann att standardbilden av bildandet av en första stjärna egentligen inte förändras av ursprungliga svarta hål", säger Boyuan Liu, en postdoktorand forskare vid University of Cambridge. Liu är huvudförfattare till beräkningsastrofysikforskning publicerad augusti 2022 i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

I det tidiga universum hävdar standardmodellen för astrofysik att svarta hål sådde bildandet av haloliknande strukturer i kraft av deras gravitationskraft, analogt med hur moln bildas genom att sådd av dammpartiklar. Detta är ett plus för stjärnbildning, där dessa strukturer fungerade som byggnadsställningar som hjälpte materia att smälta samman till de första stjärnorna och galaxerna.

Men ett svart hål orsakar också uppvärmning genom att gas eller skräp faller in i det. Detta bildar en het ansamlingsskiva runt det svarta hålet, som avger energiska fotoner som joniserar och värmer den omgivande gasen.

Och det är ett minus för stjärnbildning, eftersom gas måste kylas ner för att kunna kondensera till tillräckligt hög densitet för att en kärnreaktion utlöses, vilket sätter stjärnan i brand.

"Vi fann att dessa två effekter - uppvärmning av svarta hål och sådd - nästan tar ut varandra och den slutliga effekten är liten för stjärnbildning," sa Liu.

Beroende på vilken effekt som vinner över den andra kan stjärnbildning accelereras, försenas eller förhindras av ursprungliga svarta hål. "Det är därför ursprungliga svarta hål kan vara viktiga," tillade han.

Liu betonade att det bara är med toppmoderna kosmologiska simuleringar som man kan förstå samspelet mellan de två effekterna.

När det gäller vikten av ursvarta hål, antydde forskningen också att de interagerar med de första stjärnorna och producerar gravitationsvågor. "De kanske också kan utlösa bildandet av supermassiva svarta hål. Dessa aspekter kommer att undersökas i uppföljande studier," tillade Liu.

För studien använde Liu och kollegor kosmologiska hydrodynamiska zoom-in-simuleringar som sitt verktyg för toppmoderna numeriska scheman för gravitationshydrodynamik, kemi och kylning vid strukturbildning och tidig stjärnbildning.

"En nyckeleffekt av ursprungliga svarta hål är att de är frön av strukturer," sa Liu. Hans team byggde modellen som implementerade denna process, samt inkorporerade uppvärmningen från ursprungliga svarta hål.

De lade sedan till en sub-grid-modell för svarta hålstillväxt och feedback. Modellen beräknar vid varje tidssteg hur ett svart hål samlar gas och även hur det värmer upp sin omgivning.

"Detta är baserat på miljön runt det svarta hålet som är känt i simuleringarna i farten," sa Liu.

XSEDE tilldelade vetenskapsteamets tilldelningar på Stampede2-systemet för TACC.

"Superdatorresurser inom beräkningsastrofysik är helt avgörande", säger studiens medförfattare Volker Bromm, professor och ordförande, Institutionen för astronomi, UT Austin.

Bromm förklarade att inom teoretisk astrofysik är det härskande paradigmet för att förstå bildandet och utvecklingen av kosmiska strukturer att använda ab initio-simuleringar, som följer universums "spelbok" - fysikens styrande ekvationer.

Simuleringarna använder data från universums initiala förhållanden till hög precision baserat på observationer av den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Simuleringsrutor sätts sedan upp som följer den kosmiska utvecklingen steg för steg.

Men utmaningarna vid beräkningssimulering av strukturbildning ligger i hur stora skalor av universum – miljontals till miljarder ljusår och miljarder år – samverkar med atomskalorna där stjärnkemi sker.

"Mikrokosmos och makrokosmos samverkar," sa Bromm.

"TACC- och XSEDE-resurser har varit helt avgörande för oss för att tänja på gränsen för beräkningsastrofysik. Alla som är på UT Austin - fakultetsmedlemmar, postdoktorer, studenter - drar nytta av det faktum att vi har ett så förstklassigt superdatorcenter. Jag är extremt tacksam," tillade Bromm.

"Om vi ​​tittar på en typisk struktur som kan bilda de första stjärnorna, behöver vi cirka en miljon element för att helt lösa denna halo eller struktur," sa Liu. "Det är därför vi måste använda superdatorer på TACC."

Liu sa att med Stampede2 kan en simulering som körs på 100 kärnor slutföras på bara några timmar jämfört med år på en bärbar dator, för att inte tala om flaskhalsarna med minne och läsning eller skrivning av data.

"Den övergripande spelplanen med vårt arbete är att vi vill förstå hur universum förvandlades från de enkla initiala förutsättningarna för Big Bang", förklarade Bromm.

Strukturerna som uppstod från Big Bang drevs av mörk materias dynamiska betydelse.

Den mörka materiens natur är fortfarande ett av vetenskapens största mysterier.

Ledtrådarna till denna hypotetiska men icke observerbara substans är obestridliga, ses i galaxernas omöjliga rotationshastigheter. Massan av alla stjärnor och planeter i galaxer som vår Vintergatan har inte tillräckligt med gravitation för att hindra dem från att flyga isär. "X-faktorn" kallas mörk materia, men laboratorier har ännu inte direkt upptäckt den.

Men gravitationsvågor har upptäckts, först av LIGO 2015.

"Det är möjligt att ursprungliga svarta hål kan förklara dessa gravitationsvåghändelser som vi har upptäckt under de senaste sju åren," sa Liu. "Det här motiverar oss bara."

Said Bromm:"Superdatorer möjliggör oöverträffade nya insikter om hur universum fungerar. Universum förser oss med extrema miljöer som är extremt utmanande att förstå. Detta ger också motivation att bygga allt kraftfullare beräkningsarkitekturer och utveckla bättre algoritmiska strukturer. Det finns stor skönhet och kraft till fördel för alla."

Studien, "Effects of star-massa primordial black holes on first star formation," publicerades augusti 2022 i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . Studieförfattarna är Boyuan Liu, Saiyang Zhang och Volker Bromm från University of Texas i Austin. Liu är nu vid University of Cambridge. + Utforska vidare

Bildades svarta hål direkt efter Big Bang?