Fantastisk simulering af stjerner, der bliver født, er mest realistisk nogensinde

Et hold med Northwestern University astrofysikere har udviklet den mest realistiske, 3D-simulering af stjernedannelse i højeste opløsning til dato. Resultatet er en visuelt betagende, matematisk drevet vidunder, der giver seerne mulighed for at svæve rundt i en farverig gassky i 3D-rum, mens de ser blinkende stjerner komme frem.

Kaldet STARFORGE (stjernedannelse i gasformige miljøer), beregningsrammen er den første til at simulere en hel gassky – 100 gange mere massiv end tidligere muligt og fuld af levende farver – hvor stjerner fødes.

Det er også den første simulering, der samtidig modellerer stjernedannelse, evolution og dynamik, mens der tages højde for stjernernes feedback, inklusive jetfly, stråling, vind og nærliggende supernovaaktivitet. Mens andre simuleringer har inkorporeret individuelle typer stjernefeedback, STARFORGE sætter dem sammen for at simulere, hvordan disse forskellige processer interagerer for at påvirke stjernedannelsen.

Ved at bruge dette smukke virtuelle laboratorium, forskerne sigter mod at udforske langvarige spørgsmål, herunder hvorfor stjernedannelse er langsom og ineffektiv, hvad bestemmer en stjernes masse, og hvorfor stjerner har tendens til at dannes i hobe.

Forskerne har allerede brugt STARFORGE til at opdage, at protostellare jetfly – højhastighedsstrømme af gas, der ledsager stjernedannelse – spiller en afgørende rolle i bestemmelsen af ​​en stjernes masse. Ved at beregne en stjernes nøjagtige masse, forskere kan derefter bestemme dens lysstyrke og interne mekanismer samt lave bedre forudsigelser om dens død.

Nyligt accepteret af Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society , en avanceret kopi af manuskriptet, detaljeret forskning bag den nye model, dukkede op online i dag. Et medfølgende papir, beskriver hvordan jetfly påvirker stjernedannelsen, blev offentliggjort i samme tidsskrift i februar 2021.

"Folk har simuleret stjernedannelse i et par årtier nu, men STARFORGE er et kvantespring inden for teknologi, " sagde Northwesterns Michael Grudić, som var med til at lede arbejdet. "Andre modeller har kun været i stand til at simulere en lille del af skyen, hvor stjerner dannes - ikke hele skyen i høj opløsning. Uden at se det store billede, vi savner en masse faktorer, der kan påvirke stjernens resultat."

"Hvordan stjerner dannes er i høj grad et centralt spørgsmål i astrofysik, " sagde Northwesterns Claude-André Faucher-Giguère, en seniorforfatter på undersøgelsen. "Det har været et meget udfordrende spørgsmål at udforske på grund af rækken af ​​fysiske processer, der er involveret. Denne nye simulering vil hjælpe os direkte med at løse grundlæggende spørgsmål, som vi ikke kunne besvare endeligt før."

Grudić er postdoc ved Northwestern's Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Faucher-Giguère er lektor i fysik og astronomi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences og medlem af CIERA. Grudić ledede arbejdet sammen med Dávid Guszejnov, en postdoc ved University of Texas i Austin.

Fra start til slut, stjernedannelse tager titusinder af år. Så selv når astronomer observerer nattehimlen for at få et glimt af processen, de kan kun se et kort øjebliksbillede.

"Når vi observerer stjerner dannes i en given region, alt vi ser er stjernedannelsessteder frosset i tid, " sagde Grudić. "Stjerner dannes også i støvskyer, så de er for det meste skjulte."

For astrofysikere at se det fulde, dynamisk proces med stjernedannelse, de skal stole på simuleringer. At udvikle STARFORGE, holdet inkorporerede beregningskode for flere fænomener i fysik, herunder gasdynamik, magnetiske felter, tyngdekraft, opvarmning og afkøling og stjernernes feedback-processer. Nogle gange tager det hele tre måneder at køre en simulering, modellen kræver en af ​​de største supercomputere i verden, en facilitet støttet af National Science Foundation og drevet af Texas Advanced Computing Center.

Den resulterende simulering viser en gasmasse - titusinder til millioner af gange solens masse - der flyder i galaksen. Efterhånden som gasskyen udvikler sig, det danner strukturer, der kollapser og går i stykker, som til sidst danner individuelle stjerner. Når først stjernerne er dannet, de sender gasstråler ud fra begge poler, trænger gennem den omgivende sky. Processen slutter, når der ikke er gas tilbage til at danne flere stjerner.

Hældning af flybrændstof på modellering

Allerede, STARFORGE har hjulpet holdet med at opdage en afgørende ny indsigt i stjernedannelse. Da forskerne kørte simuleringen uden at tage højde for jetfly, stjernerne endte alt for store - 10 gange solens masse. Efter at have tilføjet jetfly til simuleringen, stjernernes masse blev meget mere realistisk – mindre end halvdelen af ​​solens masse.

"Jets forstyrrer tilstrømningen af ​​gas mod stjernen, " sagde Grudić. "De blæser i det væsentlige gas væk, der ville være endt i stjernen og øget dens masse. Folk har haft mistanke om, at dette kunne ske, men, ved at simulere hele systemet, vi har en solid forståelse af, hvordan det fungerer."

Ud over at forstå mere om stjerner, Grudić og Faucher-Giguère mener, at STARFORGE kan hjælpe os med at lære mere om universet og endda os selv.

"Forståelse af galaksedannelse afhænger af antagelser om stjernedannelse, " sagde Grudić. "Hvis vi kan forstå stjernedannelse, så kan vi forstå galaksedannelsen. Og ved at forstå galaksedannelse, vi kan forstå mere om, hvad universet er lavet af. At forstå, hvor vi kommer fra, og hvordan vi befinder os i universet, afhænger i sidste ende af at forstå stjernernes oprindelse."

"At kende massen af ​​en stjerne fortæller os dens lysstyrke såvel som hvilke slags nukleare reaktioner der sker inde i den, " sagde Faucher-Giguère. "Med det, vi kan lære mere om de grundstoffer, der syntetiseres i stjerner, som kulstof og ilt - elementer, som vi også er lavet af."

Studiet, "STARFORGE:Mod en omfattende numerisk tilstand af stjernehobedannelse og feedback, " blev støttet af National Science Foundation og NASA.