令人惊叹的仿真诞生是最逼真的


来自STARFORGE仿真的快照。旋转气体芯坍塌,形成一个中心星,其沿着其磁极发动双极喷射,因为它在来自周围圆盘的气体上饲料。喷气机夹住气体远离核心,限制了明星最终可能的量。信用西北大学/ UT奥斯汀

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——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。

研究人员旨在利用这个美丽的虚拟实验室,旨在探讨长期的问题,包括为什么明星形成缓慢而效率低,是什么决定了明星的群众,为什么星倾向于形成簇。

研究人员已经使用了艾伦福特来发现该原子体喷射 - 伴随明星形成的高速气体 - 在确定明星的质量方面发挥重要作用。通过计算明星的确切群众,研究人员可以确定其亮度和内部机制,并更好地预测其死亡。

由皇家天文社会的每月通知,稿件的先进副本新接受,详细说明了新模型背后的研究,今天出现在线。一份伴随的论文,描述了喷气机如何影响星形成,于2021年2月在同一杂志上发表。

“人们一直在模拟星星的几十年来,但斯塔尔格是一种技术的巨大飞跃,”西北迈克尔·格鲁迪说,他们共同领导了这项工作。“其他模型只能模拟云的微小云,其中星星形式 - 不是高分辨率的整个云。没有看到大局,我们错过了很多可能影响明星结果的因素。”

“恒星形式是如何在天体物理学中的一个核心问题,”该研究的高级作家西北的Claude-Andréfaucher-Giguère说。“由于所涉及的物理过程的范围,探索这是一个非常具有挑战性的问题。这一新模拟将帮助我们直接解决我们之前无法肯定的问题。”

格鲁迪?是西北跨学科勘探和天体物理学研究中心的博士后研究员(Ciera)。Faucher-Giguère是西北威辛艺术与科学学院的物理学和天文学副教授,以及Ciera成员。格鲁迪?与奥斯汀大学德克萨斯大学的博士后研究员联合主导了DávidGuszejnov。

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。

“当我们观察到任何特定地区的明星形成时,我们看到的只是在时间冻结的明星形成地点,”格鲁迪?说。“星星也在尘埃云中形成,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——质量是太阳的几千万到几百万倍——漂浮在银河系中。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。

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,这些恒星最终变得太大了——质量是太阳的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。

喷射物扰乱了向恒星流动的气体,格鲁迪?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。”

除了了解更多关于恒星的知识之外,格鲁迪?Faucher-Giguère相信星际锻造可以帮助我们更多地了解宇宙甚至我们自己。

"了解星系的形成取决于对恒星形成的假设" Grudi?说。“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。”

“知道一颗星的质量告诉我们它的亮度以及在它里面发生了哪种核反应,”Faucher-Giguère说。“如此,我们可以了解更多关于在星空中合成的元素,如碳和氧气 - 我们也由此制成。”

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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。

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