Les superordinateurs creusent dans les fossiles des premières étoiles –

On suppose qu’ils se sont formés environ 100 millions d’années après le Big Bang à partir de l’obscurité universelle à partir des gaz primordiaux de l’hydrogène, de l’hélium et des traces de métaux légers. Ces gaz se sont refroidis, se sont effondrés et se sont enflammés en étoiles jusqu’à 1000 fois plus massives que notre soleil. Plus l’étoile est grosse, plus vite elle s’épuise. Les premières étoiles n’ont probablement vécu que quelques millions d’années, une goutte dans le seau de l’âge de l’univers, à environ 13,8 milliards d’années. Il est peu probable qu’ils soient jamais observés, perdus dans la nuit des temps.

Lorsque les premières étoiles sans métal se sont effondrées et ont explosé en supernovae, elles ont forgé des éléments plus lourds tels que le carbone qui ont ensemencé la prochaine génération d’étoiles. Un type de ces deuxièmes étoiles est appelé une étoile pauvre en métal renforcée en carbone. Ce sont comme des fossiles pour les astrophysiciens. Leur composition reflète la nucléosynthèse, ou fusion, d’éléments plus lourds des premières étoiles.

“Nous pouvons obtenir des résultats à partir de mesures indirectes pour obtenir la distribution de masse des étoiles sans métal à partir des abondances élémentaires d’étoiles pauvres en métaux”, a déclaré Gen Chiaki, chercheur post-doctoral au Center for Relativistic Astrophysics, School of Physics, Géorgie Technologie.

Chiaki est l’auteur principal d’une étude publiée dans le numéro de septembre 2020 du Avis mensuels de la Royal Astronomical Society. L’étude a modélisé pour la première fois de faibles supernovae de premières étoiles sans métal, qui ont donné des modèles d’abondance améliorés en carbone grâce au mélange et au repli des bits éjectés.

Leurs simulations ont également montré les grains carbonés ensemencant la fragmentation du nuage de gaz produit, conduisant à la formation d’étoiles de faible masse “ pauvres en giga-métaux ” qui peuvent survivre jusqu’à nos jours et éventuellement être trouvées dans les observations futures.

“Nous constatons que ces étoiles ont une très faible teneur en fer par rapport aux étoiles renforcées de carbone observées avec des milliardièmes de l’abondance solaire du fer. Cependant, nous pouvons voir la fragmentation des nuages ​​de gaz. Cela indique que les étoiles de faible masse se forment dans un régime d’abondance de fer faible. De telles étoiles n’ont encore jamais été observées. Notre étude nous donne un aperçu théorique de la formation des premières étoiles », a déclaré Chiaki.

Les investigations de Wise et Chiaki font partie d’un domaine appelé «archéologie galactique». Ils assimilent cela à la recherche d’artefacts souterrains qui racontent le caractère de sociétés disparues depuis longtemps. Pour les astrophysiciens, le caractère des étoiles disparues depuis longtemps peut être révélé à partir de leurs restes fossilisés.

“Nous ne pouvons pas voir les toutes premières générations d’étoiles”, a déclaré le co-auteur de l’étude, John Wise, également professeur agrégé au Center for Relativistic Astrophysics, School of Physics, Georgia Tech. “Par conséquent, il est important de regarder ces fossiles vivants du premier univers, car ils ont les empreintes digitales des premières étoiles partout à travers les produits chimiques qui ont été produits dans la supernova à partir des premières étoiles.”

“Ces vieilles étoiles ont des empreintes digitales de la nucléosynthèse d’étoiles sans métal. C’est un indice pour nous de rechercher le mécanisme de nucléosynthèse qui se produit dans l’univers primitif”, a déclaré Chiaki.

“C’est là que nos simulations entrent en jeu pour voir cela se produire. Après avoir exécuté la simulation, vous pouvez regarder un court film pour voir d’où viennent les métaux et comment les premières étoiles et leurs supernovae affectent réellement ces fossiles qui vivent jusqu’à aujourd’hui », a déclaré Wise.

Les scientifiques ont d’abord modélisé la formation de leur première étoile, appelée étoile Population III ou Pop III, et ont exécuté trois simulations différentes correspondant à sa masse à 13,5, 50 et 80 masses solaires. Les simulations ont été résolues pour le transfert radiatif pendant sa séquence principale, puis après sa mort et sa supernova. La dernière étape consistait à faire évoluer l’effondrement du nuage de molécules craché par la supernova qui impliquait un réseau chimique de 100 réactions et 50 espèces telles que le monoxyde de carbone et l’eau.

La majorité des simulations se sont déroulées sur le cluster Georgia Tech PACE. Ils ont également reçu des allocations informatiques par la National Science Foundation (NSF) -funded Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE). Stampede2 au Texas Advanced Computing Center (TACC) et Comet au San Diego Supercomputer Center (SDSC) ont exécuté certaines des principales simulations de transfert radiatif de séquence via des allocations XSEDE.

“Les systèmes XSEDE Comet au SDSC et Stampede2 au TACC sont très rapides et ont un grand système de stockage. Ils étaient très appropriés pour mener nos énormes simulations numériques”, a déclaré Chiaki.

«Parce que Stampede2 est tellement grand, même s’il doit accueillir des milliers de chercheurs, c’est toujours une ressource inestimable pour nous», a déclaré Wise. “Nous ne pouvons pas simplement exécuter nos simulations sur des machines locales à Georgia Tech.”

Chiaki a déclaré qu’il était également satisfait des files d’attente rapides sur Comet au SDSC. «Sur Comet, je pouvais immédiatement exécuter les simulations juste après avoir soumis le travail», a-t-il déclaré.

Wise utilise les allocations du système XSEDE depuis plus d’une décennie, à partir du moment où il était post-doctorant. “Je n’aurais pas pu faire mes recherches sans XSEDE.”

XSEDE a également fourni une expertise aux chercheurs pour tirer pleinement parti de leurs allocations de supercalculateurs dans le cadre du programme ECSS (Extended Collaborative Support Services). Wise a rappelé avoir utilisé l’ECSS il y a plusieurs années pour améliorer les performances du code de simulation de raffinement de maillage adaptatif Enzo qu’il utilise encore pour résoudre le transfert radiatif du rayonnement stellaire et des supernovae.

«Grâce à l’ECSS, j’ai travaillé avec Lars Koesterke au TACC, et j’ai découvert qu’il travaillait auparavant en astrophysique. Il a travaillé avec moi pour améliorer les performances d’environ 50% du solveur de transport de rayonnement. Il m’a aidé à profiler le code pour identifier quelles boucles prenaient le plus de temps et comment l’accélérer en réorganisant certaines boucles. Je ne pense pas que j’aurais identifié ce changement sans son aide », a déclaré Wise.

Wise a également reçu du temps sur le système Frontera financé par la NSF de TACC, le supercalculateur universitaire le plus rapide du monde. “Nous ne sommes pas encore arrivés à plein régime sur Frontera. Mais nous sommes impatients de l’utiliser, car c’est une ressource encore plus grande et plus performante.”

Wise a ajouté: “Nous travaillons tous sur la prochaine génération d’Enzo. Nous l’appelons Enzo-E, E pour exascale. Il s’agit d’une réécriture totale d’Enzo par James Bordner, un informaticien au San Diego Supercomputer Center. Et il évolue presque parfaitement à 256 000 cœurs jusqu’à présent. Cela a été exécuté sur Blue Waters de NSF. Je pense qu’il l’a mis à l’échelle au même montant sur Frontera, mais Frontera est plus grand, donc je veux voir jusqu’où il peut aller. “

L’inconvénient, dit-il, est que puisque le code est nouveau, il n’a pas encore toute la physique dont ils ont besoin. “Nous sommes à environ les deux tiers du chemin”, a déclaré Wise.

Il a dit qu’il espérait également avoir accès au nouveau système Expanse au SDSC, qui remplacera Comet après sa retraite au cours de l’année prochaine. «Expanse a plus du double des cœurs de calcul par nœud que toute autre ressource XSEDE, ce qui, espérons-le, accélérera nos simulations en réduisant le temps de communication entre les cœurs», a déclaré Wise.

Selon Chiaki, les prochaines étapes de la recherche consistent à aller au-delà des caractéristiques de carbone des étoiles anciennes. “Nous voulons élargir notre intérêt aux autres types d’étoiles et aux éléments généraux avec des simulations plus larges”, a-t-il déclaré.

Dit Chiaki: “Le but de cette étude est de connaître l’origine des éléments, tels que le carbone, l’oxygène et le calcium. Ces éléments sont concentrés à travers les cycles répétitifs de la matière entre le milieu interstellaire et les étoiles. Notre corps et notre planète sont constitués de carbone et oxygène, azote et calcium. Notre étude est très importante pour aider à comprendre l’origine de ces éléments dont nous sommes les êtres humains. “