Em seus respectivos esforços para compreender o universo e tudo o que ele compreende, há uma lacuna significativa entre o que cosmologistas e astrofísicos estudam e como o estudam:escala. Os cosmólogos geralmente se concentram nas propriedades em grande escala do universo como um todo, como galáxias e meio intergaláctico; enquanto os astrofísicos estão mais interessados ​​em testar teorias físicas de objetos de pequeno a médio porte, como estrelas, supernovas e meio interestelar.

E, no entanto, os dois campos estão mais alinhados do que pode parecer à primeira vista, especialmente quando olhamos como o universo primitivo foi formado.

"As primeiras supernovas são especialmente interessantes não apenas para as pessoas que estudam estrelas, mas também para aqueles que estudam cosmologia, "disse Ken Chen, um astrofísico da East Asian Core Observatories Association (EACOA) e autor principal de um artigo no The Astrophysical Journal que examina como a primeira supernova influenciou a formação de estrelas e, junto com isso, a evolução do universo. "Essas primeiras estrelas eram muito massivas, e as supernovas que vieram dessas primeiras estrelas também foram a fonte da maioria dos elementos pesados ​​da tabela periódica. Para cosmologistas, esses metais são muito importantes porque forneceram resfriamento e mudaram a escala de massa da formação estelar, que também determinou o aparecimento de galáxias mais tarde. "

Para este estudo, Chen e colegas da Portsmouth University e da Universität Heidelberg fizeram simulações no supercomputador Edison no National Energy Research Computing Centre (NERSC) do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley para ilustrar como metais pesados ​​expelidos da explosão de supernovas ajudaram as primeiras estrelas no universo a regular a formação estelar subsequente. A ideia era pegar a pesquisa anterior de supernovas de Chen e estendê-la à cosmologia. NERSC é um DOE Office of Science User Facility.

"Queríamos entender a morte de estrelas massivas no início do universo - as supernovas - e como suas explosões afetaram posteriormente a formação de estrelas no universo, "Disse Chen." Existem muitos cenários em que elementos pesados ​​das primeiras supernovas foram transformados em estrelas de segunda geração, mas as simulações cosmológicas os modelam em escalas maiores. Os cosmologistas tendem a querer ver a formação de galáxias ou estruturas cósmicas. Mas nesses tipos de simulações você não consegue resolver os pequenos detalhes, as estruturas finas de como as supernovas realmente afetam o gás circundante e mudam a formação de estrelas. "

Fotoevaporação de Halo de matéria escura

Então ele e seus colaboradores trabalharam em pequena escala, simulações de alta resolução do enriquecimento químico de um halo de matéria escura por meio de metais de uma explosão de supernova próxima após evaporação parcial pela estrela progenitora. A equipe usou várias centenas de milhares de horas de computação no NERSC para produzir uma série de simulações 2-D e 3-D que os ajudaram a examinar o papel da fotoevaporação do halo de matéria escura - onde a radiação energética ioniza o gás e faz com que ele se disperse para longe do halo- jogou não apenas na formação inicial de estrelas, mas também na montagem de galáxias posteriores.

"No início do universo, as estrelas eram massivas e a radiação que emitiam era muito forte, "Chen explicou." Então, se você tem essa radiação antes da estrela explodir e se tornar uma supernova, a radiação já causou danos significativos ao gás em torno do halo da estrela. "

A evaporação parcial do halo antes da explosão é crucial para o seu enriquecimento posterior pela supernova, ele enfatizou. Além disso, como os metais ejetados da explosão se misturam com o halo é fundamental para prever a quantidade de metais em uma estrela de segunda geração, que influencia o tamanho e a massa dessas estrelas e, portanto, a composição da galáxia. Mas estudos de cosmologia anteriores não conectaram os pontos entre a formação de estrelas e a formação de galáxias neste tipo de detalhe, Chen observou. Isso é o que levou os pesquisadores a usar uma escala múltipla, abordagem multi-física, empregando dois códigos diferentes:ZEUS-MP, que tem o transporte de radiação necessário para evaporar o halo, e CASTRO, que foi desenvolvido no Berkeley Lab e tem o refinamento de malha adaptável necessário para resolver a colisão do metal ejetado com o halo.

"Os detalhes técnicos e as diferentes físicas tornam essas simulações muito mais complicadas e difíceis, mas estamos tentando preencher a lacuna entre as simulações em pequena escala estelar e grande escala galáctica, "Chen disse, acrescentando que ele acredita que este estudo é o primeiro de seu tipo. "Estamos tentando ultrapassar os limites e conectar o que parece ser duas coisas diferentes, mas eles estão alinhados de perto. "

Chen - que trabalha com computação na NERSC desde 2009, começando quando ele era um estudante de graduação na Universidade de Minnesota, Cidades gêmeas - dá crédito à equipe do centro, bem como aos supercomputadores, por tornar esse trabalho possível.

"O fator crítico para tornar a máquina mais produtiva não é apenas a velocidade dessa máquina, mas a eficácia com que você pode executar o trabalho, e isso requer um esforço significativo de apoio do corpo técnico e científico. Isso torna possível trabalhar muito mais rápido, e isso é muito crítico. "