Снимок из моделирования STARFORGE. Вращающееся газовое ядро ​​схлопывается, образуя центральную звезду, которая запускает биполярные струи вдоль своих полюсов, питаясь газом из окружающего диска. Струи уносят газ от ядра, ограничивая количество, которое звезда может в конечном итоге аккрецировать. Предоставлено: Северо-Западный университет / UT Остин.

STARFORGE (Звездообразование в газовой среде) - это вычислительная структура, впервые смоделировавшая целое газовое облако - в 100 раз более массивное, чем это было возможно, и полное ярких цветов, - в котором рождаются звезды.

Это также первая симуляция, которая одновременно моделирует звездообразование, эволюцию и динамику с учетом звездной обратной связи, включая струи, излучение, ветер и активность близких сверхновых. В то время как другие симуляции включают отдельные типы звездной обратной связи, STARFORGE объединяет их, чтобы смоделировать, как эти различные процессы взаимодействуют, чтобы повлиять на звездообразование.

Используя эту красивую виртуальную лабораторию, исследователи стремятся изучить давние вопросы, в том числе почему звездообразование происходит медленно и неэффективно, что определяет массу звезды и почему звезды имеют тенденцию формироваться в скопления.

Ранее STARFORGE помог обнаружить, что протозвездные струи - высокоскоростные потоки газа, сопровождающие звездообразование - играют жизненно важную роль в определении массы звезды. Вычислив точную массу звезды, исследователи могут определить ее яркость и внутренние механизмы, а также сделать более точные прогнозы относительно ее смерти.

«Люди моделируют звездообразование уже пару десятилетий, но STARFORGE - это качественный скачок в технологиях», - сказал Майкл Грудич из Northwestern, который руководил работой. «Другие модели смогли смоделировать только крошечный участок облака, на котором образуются звезды, а не все облако в высоком разрешении. Не видя общей картины, мы упускаем из виду множество факторов, которые могут повлиять на исход звезды ».

«Как формируются звезды - очень важный вопрос в астрофизике», - сказал Клод-Андре Фошер-Жигер из Northwestern, старший автор исследования. «Это был очень сложный вопрос из-за множества задействованных физических процессов. Это новое моделирование поможет нам напрямую ответить на фундаментальные вопросы, на которые мы не могли дать окончательного ответа раньше ».

 

Грудич - научный сотрудник Северо-Западного центра междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики (CIERA). Фошер-Жигер - адъюнкт-профессор физики и астрономии Северо-Западного колледжа искусств и наук Вайнберга и член CIERA. Грудич руководил работой вместе с Давидом Гусейновым, докторантом Техасского университета в Остине.

От начала до конца звездообразование занимает десятки миллионов лет. Таким образом, даже если астрономы наблюдают за ночным небом, чтобы мельком увидеть процесс, они могут просмотреть только краткий снимок.

«Когда мы наблюдаем образование звезд в любом заданном регионе, все, что мы видим, - это застывшие во времени места звездообразования», - сказал Грудич. «Звезды также образуются в облаках пыли, поэтому в основном они скрыты».

Чтобы астрофизики могли увидеть полный динамический процесс звездообразования, они должны полагаться на моделирование. Для разработки STARFORGE команда включила вычислительный код для множества явлений в физике, включая газовую динамику, магнитные поля, гравитацию, нагрев и охлаждение, а также процессы звездной обратной связи. Иногда для запуска одного моделирования требуется целых три месяца, а для этой модели требуется один из крупнейших суперкомпьютеров в мире, учреждение, поддерживаемое Национальным научным фондом и управляемое Техасским центром перспективных вычислений.

Полученное моделирование показывает массу газа, в десятки или миллионы раз превышающую массу Солнца, плавающую в галактике. По мере развития газового облака оно образует структуры, которые разрушаются и распадаются на части, которые в конечном итоге образуют отдельные звезды. Как только звезды образуются, они запускают струи газа наружу с обоих полюсов, пробивая окружающее облако. Процесс заканчивается, когда не остается газа для образования звезд.

STARFORGE уже помог команде открыть принципиально новое понимание звездообразования. Когда исследователи провели моделирование без учета джетов, звезды оказались слишком большими - в 10 раз больше массы Солнца. После добавления струй в симуляцию массы звезд стали намного более реалистичными - менее половины массы Солнца.

«Джеты нарушают приток газа к звезде. По сути, они уносят газ, который мог бы попасть в звезду и увеличить ее массу. Люди подозревали, что это могло происходить, но, моделируя всю систему, мы получили четкое представление о том, как она работает », - сказал Грудич.

Он также добавил, что «понимание формирования галактик зависит от предположений о звездообразовании». . «Если мы сможем понять звездообразование, тогда мы сможем понять формирование галактик. Понимая формирование галактик, мы можем больше узнать о том, из чего состоит Вселенная. Понимание того, откуда мы пришли и как мы находимся во Вселенной, в конечном итоге зависит от понимания происхождения звезд ».

«Знание массы звезды говорит нам о ее яркости, а также о том, какие ядерные реакции происходят внутри нее», - сказал Фошер-Жигер. «Благодаря этому мы сможем узнать больше об элементах, которые синтезируются в звездах, таких как углерод и кислород, - элементах, из которых мы также состоим».