En sus respectivos esfuerzos por comprender el universo y todo lo que comprende, Existe una brecha reveladora entre lo que estudian los cosmólogos y los astrofísicos y cómo lo estudian:la escala. Los cosmólogos suelen centrarse en las propiedades a gran escala del universo en su conjunto, como galaxias y medio intergaláctico; mientras que los astrofísicos están más interesados ​​en probar teorías físicas de objetos de tamaño pequeño a mediano, como estrellas, supernovas y medio interestelar.

Y, sin embargo, los dos campos están más estrechamente alineados de lo que parece a primera vista, especialmente cuando se mira cómo se formó el universo primitivo.

"Las primeras supernovas son especialmente interesantes no solo para las personas que estudian las estrellas, sino también para las que se dedican a la cosmología, "dijo Ken Chen, astrofísico de la Asociación de Observatorios del Núcleo de Asia Oriental (EACOA) y autor principal de un artículo en The Diario astrofísico que examina cómo las primeras supernovas influyeron en la formación de estrellas y, junto con eso, la evolución del universo. "Esas primeras estrellas eran muy masivas, y las supernovas que vinieron de estas primeras estrellas también fueron la fuente de la mayoría de los elementos pesados ​​en la tabla periódica. Para los cosmólogos, estos metales son muy importantes porque proporcionaron enfriamiento y cambiaron la escala de masa de la formación estelar, lo que también determinó la aparición de galaxias más tarde ".

Para este estudio, Chen y sus colegas de la Universidad de Portsmouth y la Universität Heidelberg realizaron simulaciones en la supercomputadora Edison en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para ilustrar cómo los metales pesados ​​expulsados ​​de las supernovas en explosión ayudaron a las primeras estrellas en el universo a regular la formación estelar posterior. La idea era tomar la investigación previa de supernovas de Chen y extenderla a la cosmología. NERSC es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"Queríamos comprender la muerte de las estrellas masivas en el universo temprano, las supernovas, y cómo sus explosiones afectaron posteriormente la formación de estrellas en el universo, ", Dijo Chen." Hay muchos escenarios en los que los elementos pesados ​​de las primeras supernovas fueron llevados a estrellas de segunda generación, pero las simulaciones cosmológicas los modelan en las escalas más grandes. Los cosmólogos tienden a querer ver la formación de galaxias o estructuras cósmicas. Pero en ese tipo de simulaciones no puedes resolver los pequeños detalles, las estructuras finas de cómo las supernovas afectan realmente al gas circundante y cambian la formación de estrellas ".

Fotoevaporación de halo de materia oscura

Así que él y sus colaboradores trabajaban a pequeña escala, Simulaciones de alta resolución del enriquecimiento químico de un halo de materia oscura a través de metales de una explosión de supernova cercana después de la evaporación parcial de la estrella progenitora. El equipo utilizó varios cientos de miles de horas de cómputo en NERSC para producir una serie de simulaciones en 2-D y 3-D que les ayudaron a examinar el papel de la fotoevaporación del halo de materia oscura, donde la radiación energética ioniza el gas y hace que se disperse del halo. jugó no solo en la formación temprana de estrellas sino también en el ensamblaje de galaxias posteriores.

"En el universo temprano, las estrellas eran masivas y la radiación que emitían era muy fuerte, "Chen explicó." Entonces, si tienes esta radiación antes de que la estrella explote y se convierta en una supernova, la radiación ya ha causado un daño significativo al gas que rodea el halo de la estrella ".

La evaporación parcial del halo antes de la explosión es crucial para su posterior enriquecimiento por la supernova, enfatizó. Además, cómo los metales expulsados ​​de la explosión se mezclan con el halo es fundamental para predecir la cantidad de metales en una estrella de segunda generación, que influye en el tamaño y la masa de estas estrellas y, por lo tanto, la composición de la galaxia. Pero los estudios de cosmología anteriores no han conectado los puntos entre la formación de estrellas y la formación de galaxias con este tipo de detalle, Chen notó. Eso es lo que llevó a los investigadores a utilizar una escala múltiple, enfoque multifísico, empleando dos códigos diferentes:ZEUS-MP, que tiene el transporte de radiación necesario para evaporar el halo, y CASTRO, que fue desarrollado en Berkeley Lab y tiene el refinamiento de malla adaptable necesario para resolver la colisión del metal expulsado con el halo.

"Los detalles técnicos y la física diferente hacen que estas simulaciones sean mucho más complicadas y difíciles, pero estamos tratando de llenar el vacío entre las pequeñas simulaciones de escala estelar y gran escala galáctica, "Chen dijo, agregando que él cree que este estudio es el primero en su tipo. "Estamos tratando de traspasar los límites y conectar lo que parecen ser dos cosas diferentes, pero en realidad están estrechamente alineados ".

Chen, que trabaja en informática en NERSC desde 2009, comenzando cuando era un estudiante de posgrado en la Universidad de Minnesota, Ciudades Gemelas:da crédito al personal del centro, así como a las supercomputadoras, por hacer posible este trabajo.

"El factor crítico para hacer que la máquina sea la más productiva no es solo la velocidad de esa máquina, sino la eficacia con la que se puede ejecutar el trabajo. y eso requiere un importante esfuerzo de apoyo por parte del personal científico y técnico. Esto hace posible trabajar mucho más rápido, y eso es muy crítico ".