Команда ученых разработала самое реалистичное 3D-моделирование звездообразования с самым высоким разрешением на сегодняшний день.
В результате получилось визуально ошеломляющее, математически управляемое чудо, которое позволяет зрителям парить вокруг красочного газового облака в трехмерном пространстве, наблюдая за появлением мерцающих звезд.
Вычислительная система, получившая название STARFORGE (Звездообразование в газовой среде), впервые смоделировала целое газовое облако (в 100 раз более массивное, чем возможно было ранее, и полное ярких цветов), где рождаются звезды.
Это первая симуляция, которая одновременно моделирует звездообразование, эволюцию и динамику с учетом звездной обратной связи, включая джеты, излучение, ветер и активность близких сверхновых. Другие симуляции включают отдельные типы звездной обратной связи, а STARFORGE объединяет их, чтобы моделировать, как различные процессы взаимодействуют, влияя на звездообразование.
Используя 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 скоплениях.
Исследователи уже использовали STARFORGE, чтобы обнаружить, что протозвездные джеты — 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 астрофизик Майкл Грудич из Северо-Западного университета, который руководил работой. «Другие модели моделируют только крошечный участок облака, где формируются звезды, а не все облако в высоком разрешении. Не видя общей картины, мы упускаем множество факторов, которые могут повлиять на исход звезды».
«Как формируются звезды — очень важный вопрос в астрофизике», — сказал Клод-Андре Фошер-Жигер из Северо-Западного университета, старший автор исследования. «Это был очень сложный вопрос для изучения из-за целого ряда задействованных физических процессов. Это новое моделирование поможет ответить на фундаментальные вопросы, на которые мы не могли дать окончательного ответа раньше».
От начала до конца звездообразование занимает десятки миллионов лет. Таким образом, даже если астрономы будут наблюдать за ночным небом, чтобы мельком увидеть процесс, они увидят только краткий снимок.
«Во время наблюдений за образованием звезд в любом заданном регионе, все, что мы видим, — это замороженные во времени места звездообразования», — сказал Грудич. «Звезды также образуются в облаках пыли, поэтому они в основном 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 на запуск одного моделирования уходит целых три месяца, а для модели требуется один из крупнейших суперкомпьютеров в мире, поддерживаемый Национальным научным фондом и управляемый Техасским центром современных 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 выпускают джеты 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 джетов в симуляцию массы звезд стали намного более реалистичными — менее половины массы Солнца.
«Джеты нарушают приток газа к звезде», — сказал Грудич. «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».
Помимо более глубокого понимания звезд, Грудич и Фошер-Жигер считают, что STARFORGE может помочь нам узнать больше о Вселенной и даже о самих себе.
«Понимание формирования галактик зависит от предположений о звездообразовании», — сказал Грудич. «Если мы сможем понять формирование звезд, то сможем понять формирование галактик. А, поняв формирование галактик, мы сможем больше понять, 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, синтезируемых в звездах, таких как углерод и кислород, из которых также состоим мы».