Mô hình có độ phân giải cao đầu tiên mô phỏng một đám mây khí chính thức nơi các ngôi sao được sinh ra.

Nhóm bao gồm trường Đại học Northwestern Các nhà vật lý thiên văn đã phát triển mô phỏng 3D thực tế nhất và độ phân giải cao nhất về sự hình thành sao. Kết quả là một kỳ quan toán học trực quan tuyệt đẹp cho phép người xem lơ lửng xung quanh một đám mây khí đầy màu sắc trong không gian 3D trong khi xem các ngôi sao lấp lánh xuất hiện.

Được biết đến với cái tên STARFORGE (sự hình thành sao trong môi trường khí), khung tính toán là khung đầu tiên mô phỏng một đám mây khí hoàn chỉnh – lớn hơn 100 lần so với trước đây có thể và đầy màu sắc rực rỡ – trong đó các ngôi sao được sinh ra.

Đây cũng là mô phỏng đầu tiên mô phỏng sự hình thành, tiến hóa và động lực học của các ngôi sao đồng thời có tính đến các phản ứng của sao, bao gồm phản lực, bức xạ, gió và hoạt động của siêu tân tinh gần đó. Trong khi các mô phỏng khác liên quan đến các loại phản ứng sao riêng lẻ, STARFORGE kết hợp chúng lại với nhau để mô phỏng cách các quá trình khác nhau này tương tác để ảnh hưởng đến sự hình thành sao.

Sử dụng phòng thí nghiệm giả thuyết tuyệt đẹp này, các nhà nghiên cứu nhằm khám phá những câu hỏi dài hạn, bao gồm lý do tại sao sự hình thành sao diễn ra chậm và không hiệu quả, điều gì quyết định khối lượng của một ngôi sao và tại sao các ngôi sao có xu hướng hình thành theo cụm.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng STARFORGE để phát hiện ra rằng các phản lực cơ bản – dòng khí vận tốc cao đi kèm với sự hình thành sao – đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định khối lượng của một ngôi sao. Bằng cách tính toán khối lượng chính xác của một ngôi sao, các nhà nghiên cứu sau đó có thể xác định độ sáng và cơ chế bên trong của nó cũng như đưa ra những dự đoán tốt hơn về cái chết của nó.

Nó mới được chấp nhận vào Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia và một phiên bản nâng cao của bản thảo, trình bày chi tiết nghiên cứu đằng sau mô hình mới, đã xuất hiện trực tuyến vào ngày 17 tháng 5 năm 2021. Tờ đi kèm, Trong đó mô tả cách máy bay phản lực ảnh hưởng đến sự hình thành sao, được xuất bản trên cùng một tạp chí vào tháng 2 năm 2021.

Michael Grodek từ Đại học Northwestern, người đồng dẫn đầu công trình cho biết: “Mọi người đã mô phỏng sự hình thành sao trong hai thập kỷ, nhưng STARFORGE đại diện cho một bước nhảy vọt lượng tử trong công nghệ”. Các mô hình khác chỉ có thể mô phỏng một đám mây nhỏ nơi các ngôi sao đang hình thành – không phải toàn bộ đám mây với độ chính xác cao. Nếu không nhìn thấy bức tranh lớn, chúng tôi bỏ lỡ nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến kết quả của ngôi sao. “

Claude-Andre Faucher-Geiger thuộc Đại học Northwestern, một trong những tác giả hàng đầu của nghiên cứu, cho biết: “Các ngôi sao hình thành như thế nào là một câu hỏi trọng tâm trong vật lý thiên văn. “Đó là một câu hỏi rất khó để khám phá do tập hợp các quá trình vật lý liên quan. Mô phỏng mới này sẽ giúp chúng tôi giải quyết những câu hỏi cơ bản mà trước đây chúng tôi chưa thể trả lời một cách chính xác.”

Ảnh chụp màn hình từ mô phỏng STARFORGE. Một lõi khí đang quay sẽ sụp đổ, tạo thành một ngôi sao trung tâm phóng các tia phản lực lưỡng cực dọc theo các cực của chúng khi chúng ăn khí từ đĩa xung quanh. Các phản lực đẩy khí ra khỏi lõi, điều này giới hạn số lượng mà cuối cùng ngôi sao có thể tụ lại. Nguồn: Đại học Northwestern / Utah Austin

Grudic là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Trung tâm Khám phá và Nghiên cứu Liên ngành trong Vật lý Thiên văn Tây Bắc (CIERA). Faucher-Giguère là Phó Giáo sư Vật lý và Thiên văn học tại Trường Nghệ thuật và Khoa học Weinberg của Đại học Northwestern và là thành viên của CIERA. Grudic đồng chỉ đạo công việc với Dávid Guszejnov, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Texas ở Austin.

Từ đầu đến cuối, phải mất hàng chục triệu năm để hình thành các ngôi sao. Vì vậy, ngay cả khi các nhà thiên văn quan sát bầu trời đêm để xem qua quá trình này, họ cũng chỉ có thể đưa ra một bức ảnh chụp nhanh.

Grodek cho biết: “Khi chúng tôi quan sát sự hình thành sao ở bất kỳ khu vực nhất định nào, tất cả những gì chúng tôi thấy là các vị trí hình thành sao bị đóng băng theo thời gian. “Các ngôi sao cũng hình thành trong các đám mây bụi, vì vậy chúng thường bị ẩn đi.”

Để các nhà vật lý thiên văn có thể nhìn thấy toàn bộ quá trình động học của quá trình hình thành sao, họ phải dựa vào các mô phỏng. Để phát triển STARFORGE, nhóm đã tích hợp mã tính toán cho nhiều hiện tượng trong vật lý, bao gồm động lực học khí, từ trường, trọng lực, quá trình làm nóng và làm mát, và các quá trình phản hồi sao. Mô hình này đôi khi mất ba tháng để chạy một mô phỏng duy nhất và yêu cầu một trong những siêu máy tính lớn nhất trên thế giới, một cơ sở được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia và được quản lý bởi Trung tâm Máy tính Tiên tiến Texas.

Các mô phỏng kết quả cho thấy một khối lượng khí trôi nổi trong thiên hà – gấp hàng chục đến hàng triệu lần khối lượng của mặt trời. Khi đám mây khí phát triển, nó hình thành các cấu trúc sụp đổ và chia thành nhiều mảnh, cuối cùng tạo thành các ngôi sao riêng lẻ. Khi các ngôi sao hình thành, các tia khí được phóng ra từ cả hai cực, xuyên qua đám mây xung quanh. Quá trình kết thúc khi không còn khí để hình thành thêm các ngôi sao.

Đổ nhiên liệu máy bay vào mô hình

Thật vậy, STARFORGE đã giúp nhóm khám phá những hiểu biết mới quan trọng về sự hình thành sao. Khi các nhà nghiên cứu chạy mô phỏng mà không đếm các tia phản lực, các ngôi sao cuối cùng rất lớn – gấp 10 lần khối lượng của Mặt trời. Sau khi thêm các máy bay phản lực vào mô phỏng, khối lượng ngôi sao trở nên thực tế hơn – nhỏ hơn một nửa khối lượng của Mặt trời.

Grodek nói: “Máy bay làm gián đoạn dòng khí hướng về ngôi sao. “Về cơ bản, chúng đang phun ra khí sẽ kết thúc trong ngôi sao và tăng khối lượng của nó. Mọi người đã nghi ngờ điều này có thể xảy ra, nhưng bằng cách mô phỏng toàn bộ hệ thống, chúng tôi có hiểu biết vững chắc về cách nó hoạt động.”

Ảnh chụp nhanh mô phỏng STARFORGE hoàn chỉnh đầu tiên. Nó được gọi là “Anvil of Creation”, và nó là một đám mây phân tử khổng lồ với sự hình thành sao kỳ dị và các phản ứng toàn cầu, bao gồm các tia phản lực sơ cấp, bức xạ, gió sao và siêu tân tinh đang sụp đổ. Nguồn: Đại học Northwestern / Utah Austin

Ngoài việc hiểu thêm về các vì sao, Grudic và Faucher-Giguère tin rằng STARFORGE có thể giúp chúng ta tìm hiểu thêm về vũ trụ và thậm chí cả bản thân.

Grodek cho biết: “Hiểu được sự hình thành của các thiên hà phụ thuộc vào các giả định về sự hình thành sao. “Nếu chúng ta có thể hiểu được sự hình thành của các ngôi sao, thì chúng ta có thể hiểu được sự hình thành của các thiên hà. Bằng cách hiểu được sự hình thành của các thiên hà, chúng ta có thể hiểu thêm về vũ trụ được tạo thành từ đâu. Hiểu được chúng ta đến từ đâu và chúng ta rơi vào vũ trụ như thế nào cuối cùng phụ thuộc vào sự hiểu biết về nguồn gốc của các vì sao. “

Faucher Geiger cho biết: “Biết được khối lượng của một ngôi sao cho chúng ta biết về độ sáng của nó và các loại phản ứng hạt nhân diễn ra bên trong nó. “Bằng cách làm này, chúng ta có thể tìm hiểu thêm về các nguyên tố được tạo ra trong các ngôi sao, chẳng hạn như carbon và oxy – những nguyên tố mà chúng ta cũng được tạo ra.”

Tham khảo: “STARFORGE: Hướng tới một Chế độ số toàn diện cho sự hình thành và phản ứng của cụm sao” của Michael Y Grodek, David Gusgenov, Philip F Hopkins, Stella SR Offner và Claude-Andre Faucher-Geiger, ngày 17 tháng 5 năm 2021, Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.
DOI: 10.1093 / mnras / đâm1347

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia và NASA.