Simulasi pemijahan bintang yang menakjubkan adalah yang paling realistis yang pernah ada

Model resolusi tinggi pertama yang menyimulasikan awan gas penuh tempat lahirnya bintang.

Terdiri dari tim Universitas Northwestern Ahli astrofisika telah mengembangkan simulasi pembentukan bintang 3D yang paling realistis dan beresolusi tertinggi. Hasilnya adalah keajaiban berbasis matematika yang menakjubkan secara visual yang memungkinkan pemirsa melayang di sekitar awan gas berwarna-warni dalam ruang 3D sambil menyaksikan bintang yang berkelap-kelip muncul.

Dikenal sebagai STARFORGE (pembentukan bintang di lingkungan gas), kerangka komputasi adalah kerangka pertama yang mensimulasikan awan gas lengkap – 100 kali lebih besar dari kemungkinan sebelumnya dan penuh warna cerah – tempat lahirnya bintang.

Ini juga merupakan simulasi pertama yang memodelkan pembentukan, evolusi, dan dinamika bintang secara bersamaan sambil memperhitungkan reaksi bintang, termasuk jet, radiasi, angin, dan aktivitas supernova di dekatnya. Sementara simulasi lain melibatkan tipe individu dari reaksi bintang, STARFORGE menyatukannya untuk mensimulasikan bagaimana proses yang berbeda ini berinteraksi untuk mempengaruhi pembentukan bintang.

Dengan menggunakan laboratorium hipotetis yang indah ini, para peneliti bertujuan untuk mengeksplorasi pertanyaan jangka panjang, termasuk mengapa pembentukan bintang lambat dan tidak efektif, apa yang menentukan massa bintang, dan mengapa bintang cenderung terbentuk dalam kelompok.

Para peneliti telah menggunakan STARFORGE untuk menemukan bahwa jet dasar – aliran gas berkecepatan tinggi yang menyertai pembentukan bintang – memainkan peran penting dalam menentukan massa bintang. Dengan menghitung massa yang tepat dari sebuah bintang, para peneliti kemudian dapat menentukan kecerahan dan mekanisme internalnya serta membuat prediksi yang lebih baik tentang kematiannya.

Itu baru diterima di Pemberitahuan Bulanan dari Royal Astronomical Society, dan versi lanjutan dari naskah, merinci penelitian di balik model baru, muncul online 17 Mei 2021. Lembar pendamping, Yang menggambarkan bagaimana jet mempengaruhi pembentukan bintang, diterbitkan di jurnal yang sama pada Februari 2021.

“Orang-orang telah mensimulasikan pembentukan bintang selama dua dekade, tetapi STARFORGE mewakili lompatan kuantum dalam teknologi,” kata Michael Grodek dari Northwestern University, yang ikut memimpin penelitian tersebut. Model lain hanya mampu mensimulasikan sepetak kecil awan tempat bintang-bintang terbentuk – bukan seluruh awan dengan akurasi tinggi. Tanpa melihat gambaran besarnya, kami kehilangan banyak faktor yang dapat memengaruhi hasil akhir seorang bintang. “

“Bagaimana bentuk bintang adalah pertanyaan sentral dalam astrofisika,” kata Claude-Andre Faucher-Geiger dari Northwestern University, salah satu penulis utama studi tersebut. “Itu adalah pertanyaan yang sangat sulit untuk dijelajahi karena serangkaian proses fisik yang terlibat. Simulasi baru ini akan membantu kami menjawab pertanyaan mendasar yang belum dapat kami jawab secara meyakinkan sebelumnya.”

Tangkapan layar dari simulasi STARFORGE. Inti gas yang berputar runtuh, membentuk bintang pusat yang melepaskan jet dipol di sepanjang kutubnya saat mereka memakan gas dari cakram sekitarnya. Jet mendorong gas menjauh dari inti, yang membatasi jumlah yang dapat dikumpulkan bintang pada akhirnya. Kredit: Universitas Northwestern / Utah Austin

Grudic adalah rekan postdoctoral di Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Faucher-Giguère adalah Associate Professor Fisika dan Astronomi di Sekolah Seni dan Sains Weinberg Universitas Northwestern dan anggota CIERA. Grudic ikut memimpin pekerjaan dengan Dávid Guszejnov, seorang rekan postdoctoral di University of Texas di Austin.

Dari awal hingga akhir, dibutuhkan puluhan juta tahun untuk membentuk bintang. Jadi, meskipun para astronom mengamati langit malam untuk mengintip prosesnya, mereka hanya dapat menampilkan cuplikan singkat.

“Saat kami mengamati pembentukan bintang di wilayah tertentu, yang kami lihat hanyalah situs pembentukan bintang yang membeku seiring waktu,” kata Grodek. “Bintang juga terbentuk di awan debu, jadi sering kali tersembunyi.”

Agar astrofisikawan dapat melihat proses dinamis penuh dari pembentukan bintang, mereka harus mengandalkan simulasi. Untuk mengembangkan STARFORGE, tim telah mengintegrasikan kode komputasi untuk berbagai fenomena dalam fisika, termasuk dinamika gas, medan magnet, gravitasi, pemanasan dan pendinginan, serta proses umpan balik bintang. Model ini terkadang membutuhkan waktu tiga bulan penuh untuk menjalankan satu simulasi, dan membutuhkan salah satu superkomputer terbesar di dunia, sebuah fasilitas yang didukung oleh National Science Foundation dan dikelola oleh Texas Center for Advanced Computing.

Simulasi yang dihasilkan menunjukkan massa gas yang mengambang di galaksi – puluhan hingga jutaan kali massa matahari. Saat awan gas berkembang, ia membentuk struktur yang runtuh dan terpecah menjadi beberapa bagian, yang akhirnya membentuk bintang individu. Begitu bintang terbentuk, semburan gas dilepaskan dari kedua kutub, menembus awan di sekitarnya. Prosesnya berakhir ketika tidak ada gas yang tersisa untuk membentuk lebih banyak bintang.

Tuang bahan bakar jet pada pemodelan

Memang, STARFORGE membantu tim menemukan wawasan baru yang penting tentang pembentukan bintang. Ketika para peneliti menjalankan simulasi tanpa menghitung jet, bintang-bintang itu akhirnya menjadi sangat besar – 10 kali massa Matahari. Setelah menambahkan jet ke simulasi, massa bintang menjadi lebih realistis – kurang dari setengah massa Matahari.

“Pesawat mengganggu aliran gas menuju bintang,” kata Grodek. “Mereka pada dasarnya memuntahkan gas yang akan berakhir di bintang dan meningkatkan massanya. Orang-orang telah menduga hal ini mungkin terjadi, tetapi dengan mensimulasikan seluruh sistem, kami memiliki pemahaman yang kuat tentang cara kerjanya.”

Cuplikan dari simulasi STARFORGE lengkap pertama. Ini disebut “Landasan Penciptaan”, dan merupakan awan molekul raksasa dengan formasi bintang tunggal dan reaksi global, termasuk jet primer, radiasi, angin bintang, dan supernova yang runtuh. Kredit: Universitas Northwestern / Utah Austin

Selain memahami lebih banyak tentang bintang, Grudic dan Faucher-Giguère percaya STARFORGE dapat membantu kita mempelajari lebih lanjut tentang alam semesta dan bahkan diri kita sendiri.

“Memahami pembentukan galaksi bergantung pada asumsi tentang pembentukan bintang,” kata Grodek. “Jika kita bisa memahami pembentukan bintang, maka kita bisa memahami pembentukan galaksi. Dengan memahami pembentukan galaksi, kita bisa lebih memahami tentang dari apa alam semesta terbuat. Memahami dari mana kita berasal dan bagaimana kita jatuh di alam semesta. pada akhirnya bergantung pada pemahaman asal-usul bintang-bintang. “

“Mengetahui massa sebuah bintang memberi tahu kita tentang kecerahannya dan juga jenis reaksi nuklir yang terjadi di dalamnya,” kata Faucher Geiger. “Dengan melakukan ini, kita dapat mempelajari lebih lanjut tentang unsur-unsur yang dibuat dalam bintang, seperti karbon dan oksigen – unsur-unsur yang juga kita buat.”

Referensi: “STARFORGE: Menuju Mode Numerik Komprehensif untuk Reaksi dan Formasi Gugus Bintang” oleh Michael Y Grodek, David Gusgenov, Philip F Hopkins, Stella SR Offner dan Claude-Andre Faucher-Geiger, 17 Mei 2021, Pemberitahuan Bulanan dari Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / stab1347

Studi ini didukung oleh National Science Foundation dan NASA.