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对恒星诞生的惊人模拟是有史以来最真实的

时间:2021-07-22 13:18

Stunning simulation of stars being born is most realistic ever

包括西北大学天体物理学家在内的一个团队开发了迄今为止最真实、分辨率最高的恒星形成3D模拟。其结果是一个视觉上令人惊叹的,数学驱动的奇迹,让观众漂浮在一个彩色的气体云在3D空间中,同时观看闪烁的星星出现。

这个名为STARFORGE(气态环境中的恒星形成)的计算框架是第一个模拟整个气体云的计算框架,气体云比以前可能的质量大100倍,充满了鲜艳的颜色——恒星诞生的地方。

它也是第一个同时模拟恒星形成、演化和动力学的模拟,同时考虑恒星反馈,包括喷流、辐射、风和附近的超新星活动。当其他的模拟结合了个别类型的恒星反馈时,STARFORGE把它们放在一起来模拟这些不同的过程是如何相互作用影响恒星形成的。

利用这个美丽的虚拟实验室,研究人员的目标是探索长期存在的问题,包括为什么恒星形成缓慢而低效,是什么决定了恒星的质量,为什么恒星倾向于形成星团。

研究人员已经通过STARFORGE发现了原恒星喷流——伴随恒星形成的高速气体流——在确定恒星质量方面起着至关重要的作用。通过计算一颗恒星的确切质量,研究人员可以确定它的亮度和内部机制,并更好地预测它的死亡。

《皇家天文学会月报》最近接受了这份手稿的最新版本,其中详细介绍了新模型背后的研究成果。与此同时,一篇描述喷射流如何影响恒星形成的论文于2021年2月发表在同一杂志上。






信贷:西北大学

“人们模拟恒星形成已经有几十年了,但STARFORGE是技术上的一次量子飞跃,”西北大学的Michael Grudić说,他是这项工作的共同领导者。其他模型只能模拟恒星形成的星云中的一小块,而不是高分辨率的整个星云。没有看到大局,我们会错过很多可能影响恒星结果的因素。”

“恒星是如何形成的是天体物理学的核心问题,”西北大学的Claude-André Faucher-Giguère说,他是这项研究的资深作者。“这是一个非常具有挑战性的问题,因为涉及的物理过程的范围。这种新的模拟将帮助我们直接解决我们以前无法明确回答的基本问题。”

Grudić,西北大学天体物理跨学科探索与研究中心博士后。Faucher-Giguère是西北大学温伯格艺术与科学学院的物理学和天文学副教授,也是CIERA的成员。Grudić和Dávid Guszejnov共同领导了这项工作,他是德克萨斯大学奥斯汀分校的博士后研究员。

从开始到结束,恒星的形成需要数千万年。因此,即使天文学家观测夜空以一瞥这一过程,他们也只能看到一个简短的快照。

Grudić说:“当我们观察任何特定区域的恒星形成时,我们所看到的都是时间冻结的恒星形成地点。”“恒星也是在尘埃云中形成的,所以它们大多是隐藏的。”

对于天体物理学家来说,要看到恒星形成的完整、动态过程,他们必须依靠模拟。为了开发STARFORGE,该团队整合了多种物理现象的计算代码,包括气体动力学、磁场、重力、加热和冷却以及恒星反馈过程。有时要花整整三个月来运行一个模拟,这个模型需要世界上最大的超级计算机之一,该设备由国家科学基金会(National Science Foundation)支持,由德克萨斯州高级计算中心(Texas Advanced Computing Center)运营。

模拟结果显示,大量的气体漂浮在星系中,其质量是太阳质量的几千万倍。随着气体云的演变,它会形成一些结构,这些结构会坍塌并分裂成碎片,最终形成单独的恒星。一旦恒星形成,它们会从两极向外喷射气体,穿透周围的云层。当没有气体可以形成恒星时,这个过程就结束了。

喷射燃油全家人的建模

STARFORGE已经帮助团队发现了关于恒星形成的重要新见解。当研究人员在没有考虑喷流的情况下进行模拟时,这些恒星最终变得非常大——是太阳质量的10倍。在模拟中加入喷流后,恒星的质量变得更加真实——不到太阳质量的一半。

“喷流扰乱了向恒星流入的气体,”Grudić说。“本质上,它们吹走了恒星内部的气体,增加了恒星的质量。人们已经怀疑这可能会发生,但通过模拟整个系统,我们对它是如何工作的有了一个强大的理解。”

除了更多地了解恒星,Grudić和Faucher-Giguère相信STARFORGE可以帮助我们更多地了解宇宙甚至我们自己。

Grudić说:“了解星系的形成取决于对恒星形成的假设。”“如果我们能了解恒星的形成,那么我们就能了解星系的形成。通过了解星系的形成,我们可以更多地了解宇宙的组成。理解我们从哪里来以及我们在宇宙中的位置最终取决于理解恒星的起源。”

“知道恒星的质量可以告诉我们它的亮度,以及恒星内部发生的核反应类型,”Faucher-Giguère说。“有了它,我们就可以更多地了解恒星中合成的元素,比如构成我们的碳元素和氧元素。”

这项名为“STARFORGE:朝向星团形成和反馈的综合数值模式”的研究得到了美国国家科学基金会和美国宇航局的支持。