Stampede2 超级计算机模拟原始黑洞的播星和加热效应

超级计算机模拟探索了原始黑洞及其对宇宙中第一颗恒星形成的影响。黑洞可以通过巨大的引力在恒星周围播种结构来帮助恒星形成。它们还通过加热落入它们的气体来阻碍恒星的形成。 XSEDE 分配的 Stampede2 模拟显示这些效果基本上相互抵消。这里展示的是一个艺术家的概念，它说明了用于合并黑洞的分层方案。图片来源：LIGO/Caltech/MIT/R。伤害（IPAC）

宇宙大爆炸后仅仅几毫秒，混乱就开始了。原子核在炽热、疯狂的运动中融合和分裂。令人难以置信的强大压力波积聚起来并将物质紧紧挤压在一起，以至于形成了黑洞，天体物理学家称之为原始黑洞。

原始黑洞是帮助还是阻碍了宇宙第一批恒星的形成，最终在大约一亿年后诞生？

超级计算机模拟有助于研究这个宇宙问题，这要归功于德克萨斯大学奥斯汀分校的德克萨斯高级计算中心 (TACC) 的 Stampede2 超级计算机上的模拟。

“我们发现第一颗恒星形成的标准图景并没有真正被原始黑洞改变，” 剑桥大学博士后研究员刘博远说。刘是计算天体物理学研究的主要作者，该研究于 2022 年 8 月发表在《皇家天文学会月报》上。

在早期的宇宙中，天体物理学的标准模型认为，黑洞通过它们的引力促成了类晕结构的形成，类似于云是怎样通过被尘埃粒子播种而形成的。这是恒星形成的一个优势，这些结构充当了帮助物质合并成第一批恒星和星系的脚手架。

然而，黑洞也会通过落入其中的气体或碎片引起加热。这在黑洞周围形成了一个热吸积盘，它发出高能光子，电离并加热周围的气体。

这是恒星形成的一个负数，因为气体需要冷却才能凝结到足够高的密度，从而引发核反应，使恒星着火。

“我们发现这两种效应——黑洞加热和播种——几乎相互抵消，最终对恒星形成的影响很小，” 刘说。

根据哪种效应胜过另一种效应，原始黑洞可以加速、延迟或阻止恒星的形成。 “这就是为什么原始黑洞很重要的原因，” 他加了。

刘强调，只有通过最先进的宇宙学模拟，才能理解这两种效应之间的相互作用。

关于原始黑洞的重要性，研究还暗示它们与第一批恒星相互作用并产生引力波。 “它们也可能引发超大质量黑洞的形成。这些方面将在后续研究中进行调查，” 刘补充道。

云崩塌时的物质场（即恒星形成开始）作为暗物质（顶部）和气体（底部）在针对同一区域但不同丰度的四个模拟中的预测分布原始黑洞，由参数 f_PBH 测量。原始黑洞用黑点绘制，圆圈显示了容纳坍缩云的结构的大小。数据切片的物理范围为2000光年，厚度为1000光年。当 f_PBH<0.001 时，坍缩时刻的宇宙年龄首先随着 f_PBH 递减。 "播种" 效果占优势。然后它从 f_PBH=0.001 增加到 f_PBH=0.01 及以上，因为 "加热" 效果变得更加重要。信用：刘等人。

在这项研究中，Liu 及其同事使用宇宙学流体动力学放大模拟作为他们最先进的重力流体动力学数值方案的工具，结构形成和早期恒星形成中的化学和冷却。

“原始黑洞的一个关键作用是它们是结构的种子，” 刘说。他的团队建立了实现这一过程的模型，并结合了原始黑洞的加热。

然后，他们添加了一个用于黑洞吸积和反馈的子网格模型。该模型在每个时间步计算黑洞怎样吸积气体以及它怎样加热周围环境。

“这是基于动态模拟中已知的黑洞周围的环境，” 刘说。

XSEDE 授予了 TACC 的 Stampede2 系统的科学团队分配。

“计算天体物理学中的超级计算资源绝对至关重要，” 研究合著者、德克萨斯大学奥斯汀分校天文学系教授兼系主任沃尔克·布罗姆 (Volker Bromm) 说。

布罗姆解释说，在理论天体物理学中，理解宇宙结构形成和演化的主导范式是使用从头算模拟，它遵循宇宙本身的“剧本”——物理学的控制方程。

基于对宇宙微波背景的观测，模拟使用来自宇宙初始条件的高精度数据。然后设置模拟框，按时间步长跟随宇宙演化时间步。

但计算模拟结构形成的挑战在于大尺度宇宙的方式——数百万到数十亿光年和数十亿年——与发生恒星化学的原子尺度相结合。

“微观世界和宏观世界相互作用，” 布罗姆说。

“TACC 和 XSEDE 资源对于我们推动计算天体物理学的前沿是绝对重要的。 UT Austin 的每个人——教师、博士后、学生——都受益于我们拥有如此一流的超级计算中心这一事实。我非常感激，” 布罗姆补充道。