슈퍼컴퓨터는 별의 씨뿌리기, 원시 블랙홀의 가열 효과 시뮬레이션 - Sciencetimes

우주의 빅뱅 직후, 혼돈이 지배했습니다. 원자핵은 뜨겁고 격렬한 움직임으로 융합되고 부서졌습니다. 믿을 수 없을 정도로 강한 압력파가 축적되어 물질이 너무 팽팽하게 뭉쳐서 블랙홀이 형성되었으며, 이를 천체 물리학자들은 원시 블랙홀이라고 부릅니다.

원시 블랙홀은 결국 약 1억 년 후에 탄생한 우주 최초의 별 형성을 돕거나 방해했습니까?

슈퍼컴퓨터 시뮬레이션은 오스틴에 있는 텍사스 대학의 일부인 TACC(Texas Advanced Computing Center)의 Stampede2 슈퍼컴퓨터에 대한 시뮬레이션 덕분에 이 우주적 문제를 조사하는 데 도움이 되었습니다.

“우리는 최초의 별 형성에 대한 표준 그림이 원시 블랙홀에 의해 실제로 변경되지 않는다는 것을 발견했습니다.”라고 케임브리지 대학의 박사후 연구원인 Boyuan Liu가 말했습니다. Liu는 2022년 8월호에 발표된 전산 천체 물리학 연구의 수석 저자입니다. 왕립천문학회 월간 공지.

초기 우주에서 천체 물리학의 표준 모델은 블랙홀이 먼지 입자에 의해 구름이 형성되는 방식과 유사하게 중력으로 인해 후광과 유사한 구조의 형성에 씨를 뿌렸다고 주장합니다. 이것은 이러한 구조가 물질이 첫 번째 별과 은하로 합쳐지는 데 도움이 되는 발판 역할을 하는 별 형성에 대한 플러스입니다.

그러나 블랙홀은 또한 가스나 파편이 그 안으로 떨어지면서 가열을 일으킵니다. 이것은 블랙홀 주위에 뜨거운 강착 원반을 형성하고, 주변 가스를 이온화하고 가열하는 에너지 광자를 방출합니다.

그리고 그것은 별 형성에 마이너스입니다. 가스는 핵 반응을 일으키고 별을 불태울 만큼 충분히 높은 밀도로 응축될 수 있어야 하기 때문입니다.

“우리는 블랙홀 가열과 씨뿌리기의 두 가지 효과가 거의 서로를 상쇄하고 별 형성에 미치는 최종 영향이 작다는 것을 발견했습니다.”라고 Liu가 말했습니다.

어떤 효과가 다른 효과보다 우위에 있느냐에 따라 원시 블랙홀에 의해 별 형성이 가속화되거나 지연되거나 방지될 수 있습니다. “이것이 원시 블랙홀이 중요한 이유입니다.”라고 그는 덧붙였습니다.

Liu는 최첨단 우주 시뮬레이션을 통해서만 두 효과 간의 상호 작용을 이해할 수 있다고 강조했습니다.

원시 블랙홀의 중요성과 관련하여 이 연구는 또한 블랙홀이 최초의 별과 상호 작용하여 중력파를 생성한다는 것을 암시했습니다. Liu는 “그들은 또한 초대질량 블랙홀의 형성을 유발할 수 있습니다. 이러한 측면은 후속 연구에서 조사될 것”이라고 덧붙였습니다.

연구를 위해 Liu와 동료들은 구조 형성 및 초기 별 형성에서 중력 유체 역학, 화학 및 냉각의 최신 수치 체계를 위한 도구로 우주론적 유체 역학 확대 시뮬레이션을 사용했습니다.

“원시 블랙홀의 주요 효과는 그것이 구조의 씨앗이라는 것입니다.”라고 Liu가 말했습니다. 그의 팀은 이 과정을 구현하고 원시 블랙홀의 가열을 통합하는 모델을 만들었습니다.

그런 다음 그들은 블랙홀 강착 및 피드백에 대한 하위 그리드 모델을 추가했습니다. 모델은 각 시간 단계에서 블랙홀이 가스를 축적하는 방법과 주변을 가열하는 방법을 계산합니다.

Liu는 “이것은 시뮬레이션에서 알려진 블랙홀 주변 환경을 기반으로 합니다.”라고 말했습니다.

XSEDE는 TACC의 Stampede2 시스템에 대한 과학 팀 할당을 수여했습니다.

“컴퓨터 천체 물리학에서 슈퍼컴퓨팅 자원은 절대적으로 중요합니다.”라고 연구 공동 저자인 UT Austin 천문학부의 교수이자 의장인 Volker Bromm이 말했습니다.

브롬은 이론 천체 물리학에서 우주 구조의 형성과 진화를 이해하기 위한 지배 패러다임은 우주 자체의 ‘플레이북'(물리학의 지배 방정식)을 따르는 초기 시뮬레이션을 사용하는 것이라고 설명했습니다.

시뮬레이션은 우주 마이크로파 배경의 관찰을 기반으로 한 우주의 초기 조건에서 높은 정밀도까지 데이터를 사용합니다. 그런 다음 시간 단계별로 우주 진화 시간을 따르는 시뮬레이션 상자가 설정됩니다.

그러나 구조 형성에 대한 컴퓨터 시뮬레이션의 도전은 우주의 큰 규모(수백만에서 수십억 광년, 수십억 년)가 항성 화학이 일어나는 원자 규모와 맞물리는 방식에 있습니다.

“소우주와 거대우주는 상호작용합니다.”라고 브롬은 말했습니다.

“TACC 및 XSEDE 리소스는 우리가 계산 천체 물리학의 최전선을 개척하는 데 절대적으로 중요했습니다. UT Austin에 있는 모든 사람(교수진, 박사후 연구원, 학생)은 이러한 최고의 슈퍼컴퓨팅 센터가 있다는 사실로부터 혜택을 받습니다. I’ 정말 감사하다”고 브롬은 덧붙였다.

Liu는 “첫 번째 별을 형성할 수 있는 하나의 전형적인 구조를 조사하면 이 후광 또는 구조를 완전히 해결하기 위해 약 백만 개의 요소가 필요합니다.”라고 말했습니다. “이것이 우리가 TACC에서 슈퍼컴퓨터를 사용해야 하는 이유입니다.”

Liu는 Stampede2를 사용하면 100개의 코어에서 실행되는 시뮬레이션이 메모리와 데이터 읽기 또는 쓰기의 병목 현상은 말할 것도 없고 랩톱에서 몇 년이 아닌 몇 시간 만에 완료할 수 있다고 말했습니다.

“우리 작업의 전반적인 게임 계획은 우주가 빅뱅의 단순한 초기 조건에서 어떻게 변형되었는지 이해하려는 것입니다.”라고 Bromm이 설명했습니다.

빅뱅 이후에 등장한 구조는 암흑 물질의 역학적 중요성에 의해 주도되었습니다.

암흑 물질의 본질은 과학에서 가장 큰 미스터리 중 하나로 남아 있습니다.

이 가설적이지만 관찰할 수 없는 물질의 단서는 은하의 불가능한 회전 속도에서 볼 수 있듯이 부인할 수 없습니다. 우리 은하수와 같은 은하에 있는 모든 별과 행성의 질량은 중력이 충분하지 않아 분리되지 않습니다. ‘x-인자’는 암흑 물질이라고 불리지만 아직 실험실에서 직접 감지하지 못했습니다.

그러나 중력파는 2015년 LIGO에 의해 처음으로 감지되었습니다.

Liu는 “원시 블랙홀이 우리가 지난 7년 동안 감지한 이러한 중력파 사건을 설명할 수 있을 것”이라고 말했습니다. “이것은 단지 우리에게 동기를 부여합니다.”

Bromm은 다음과 같이 말했습니다: “슈퍼컴퓨터는 우주가 어떻게 작동하는지에 대한 전례 없는 새로운 통찰력을 가능하게 합니다. 우주는 우리에게 이해하기 매우 어려운 극한의 환경을 제공합니다. 이것은 또한 더욱 강력한 계산 아키텍처를 구축하고 더 나은 알고리즘 구조를 고안할 동기를 부여합니다. 모든 사람의 이익을 위한 위대한 아름다움과 힘.”

“항성질량 원시 블랙홀이 최초의 별 형성에 미치는 영향”이라는 연구는 2022년 8월호에 발표되었습니다. 왕립천문학회 월간 공지. 이 연구의 저자는 오스틴에 있는 텍사스 대학교의 Boyuan Liu, Saiyang Zhang, Volker Bromm입니다. Liu는 현재 케임브리지 대학교에 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/08/220810210334.htm