Dans leurs efforts respectifs pour comprendre l'univers et tout ce qu'il comprend, il y a un fossé révélateur entre ce que les cosmologues et les astrophysiciens étudient et la façon dont ils l'étudient :l'échelle. Les cosmologistes se concentrent généralement sur les propriétés à grande échelle de l'univers dans son ensemble, comme les galaxies et le milieu intergalactique; tandis que les astrophysiciens s'intéressent davantage à tester les théories physiques des objets de petite et moyenne taille, comme les étoiles, supernovae et milieu interstellaire.

Et pourtant, les deux domaines sont plus proches qu'il n'y paraît à première vue, surtout quand on regarde comment l'univers primitif s'est formé.

"Les premières supernovae sont particulièrement intéressantes non seulement pour les personnes qui étudient les étoiles mais aussi pour celles qui font de la cosmologie, " a déclaré Ken Chen, astrophysicien à l'East Asian Core Observatories Association (EACOA) et auteur principal d'un article dans The Journal d'astrophysique qui examine comment les premières supernovae ont influencé la formation d'étoiles et, avec, l'évolution de l'univers. "Ces premières étoiles étaient très massives, et les supernovae qui provenaient de ces premières étoiles étaient aussi la source de la plupart des éléments lourds du tableau périodique. Pour les cosmologistes, ces métaux sont très importants car ils assuraient le refroidissement et modifiaient l'échelle de masse de la formation d'étoiles, qui a également déterminé l'apparition des galaxies plus tard."

Pour cette étude, Chen et ses collègues de l'Université de Portsmouth et de l'Universität Heidelberg ont effectué des simulations sur le supercalculateur Edison du Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Lawrence Berkeley (NERSC) pour illustrer comment les métaux lourds expulsés des supernovae en explosion ont aidé les premières étoiles de l'univers à réguler la formation d'étoiles ultérieure. L'idée était de prendre les recherches précédentes de Chen sur les supernovae et de les étendre à la cosmologie. Le NERSC est une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science.

"Nous voulions comprendre la mort des étoiles massives dans l'univers primitif - les supernovae - et comment leurs explosions ont affecté plus tard la formation des étoiles dans l'univers, " a déclaré Chen. " Il existe de nombreux scénarios dans lesquels des éléments lourds des premières supernovae ont été absorbés par des étoiles de deuxième génération, mais les simulations cosmologiques les modélisent aux plus grandes échelles. Les cosmologistes ont tendance à vouloir voir la formation de galaxies ou de structures cosmiques. Mais dans ce genre de simulations, vous n'êtes pas en mesure de résoudre les petits détails, les structures fines de la façon dont les supernovae affectent réellement le gaz environnant et modifient la formation des étoiles."

Photoévaporation Halo de matière noire

Alors lui et ses collaborateurs ont couru à petite échelle, simulations à haute résolution de l'enrichissement chimique d'un halo de matière noire via les métaux d'une explosion de supernova voisine après évaporation partielle par l'étoile progénitrice. L'équipe a utilisé plusieurs centaines de milliers d'heures de calcul au NERSC pour produire une série de simulations 2D et 3D qui les ont aidées à examiner le rôle de la photoévaporation du halo de matière noire, où le rayonnement énergétique ionise le gaz et le fait se disperser loin du halo. joué non seulement dans la formation précoce des étoiles, mais aussi dans l'assemblage des galaxies ultérieures.

« Dans l'univers primitif, les étoiles étaient massives et le rayonnement qu'elles émettaient était très fort, " expliqua Chen. " Donc, si vous avez ce rayonnement avant que cette étoile n'explose et devienne une supernova, le rayonnement a déjà causé des dommages importants au gaz entourant le halo de l'étoile."

L'évaporation partielle du halo avant l'explosion est cruciale pour son enrichissement ultérieur par la supernova, a-t-il souligné. En outre, comment les métaux éjectés de l'explosion se mélangent au halo est essentiel pour prédire la quantité de métaux dans une étoile de deuxième génération, qui influence la taille et la masse de ces étoiles et, Donc, la composition de la galaxie. Mais les études cosmologiques précédentes n'ont pas relié les points entre la formation d'étoiles et la formation de galaxies avec ce genre de détail, a noté Chen. C'est ce qui a poussé les chercheurs à utiliser un multi-échelle, approche multi-physique, utilisant deux codes différents :ZEUS-MP, qui a le transport de rayonnement nécessaire pour évaporer le halo, et CASTRO, qui a été développé au Berkeley Lab et a le raffinement de maillage adaptatif nécessaire pour résoudre la collision du métal éjecté avec le halo.

"Les détails techniques et la physique différente rendent ces simulations beaucoup plus compliquées et difficiles, mais nous essayons de combler le fossé entre les simulations à petite échelle stellaire et à grande échelle galactique, " Chen a dit, ajoutant qu'il pense que cette étude est une première du genre. "Nous essayons de repousser les limites et de connecter ce qui semble être deux choses différentes, mais ils sont en fait étroitement alignés."

Chen, qui travaille au NERSC depuis 2009, à partir de quand il était étudiant diplômé à l'Université du Minnesota, Twin Cities - remercie le personnel du centre ainsi que les superordinateurs d'avoir rendu ce travail possible.

"Le facteur critique pour rendre la machine la plus productive n'est pas seulement la vitesse de cette machine, mais l'efficacité avec laquelle vous pouvez exécuter le travail, et cela nécessite un effort important de soutien de la part du personnel scientifique et technique. Cela permet de travailler beaucoup plus rapidement, et c'est très critique."