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模拟恒星诞生:这次最逼真!

来源:《中国科学报》2021-05-28 10:07

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  近日,天体物理学家开发了迄今为止最真实、分辨率最高的恒星形成3D模型。他们的成果是一个非常美丽的、由数学驱动的视觉工具,当恒星在周围出现时,观察者仿佛置身于五颜六色的气体云中。相关研究结果发表于《皇家天文学会月刊》。

  这个名为STARFORGE(气态环境中的恒星形成)的模型首次以全彩高分辨率模拟了整个气体云(恒星诞生的地方),同时也考虑了喷流、辐射、风和附近的超新星活动。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。

  “人们模拟恒星形成已经有几十年了,但STARFORGE是技术上的一次巨大飞跃。”该研究领导者之一、西北大学Michael Grudi表示,其他模型只能模拟形成恒星的云团的一小块,而不是高分辨率的整个云团。

  利用这个美丽的虚拟实验室,研究人员的目标是探索以下问题:为什么恒星形成缓慢而低效,是什么决定了恒星的质量,以及为什么恒星倾向于形成星团。

  该研究资深作者、美国西北大学Claude-Andr Faucher-Gigure说,恒星的形成是天体物理学领域的核心问题。“这是一个非常具有挑战性的问题,因为涉及到的物理过程范围很大。这种新的模型将帮助我们直接解决以前无法明确回答的基本问题。”

  Grudi说:“恒星是在尘埃云中形成的,所以它们大多不容易被观测到。”对于天体物理学家来说,要想看到完整、动态的恒星形成过程,必须依靠模拟,而STARFORGE提供了有史以来最详细的视图。

  为了开发STARFORGE,该团队整合了多种物理现象,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3个月来运行一次模拟,而这个模型需要世界上最大的超级计算机才能运行。

  模拟结果显示,大量的气体(其质量是太阳的几千万倍)飘浮在星系中。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,并最终形成单独的恒星。

  在第一次漫长的模拟运行完成后,STARFORGE帮助团队发现了一个关于恒星形成方式的重要新见解。当研究人员在没有考虑喷流的情况下进行模拟时,这些恒星最终变为超大质量恒星,其质量是太阳的10倍。而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。

  “喷流扰乱了流向恒星的气体。” Grudi说,“它把原本留在恒星内增加其质量的气体吹走。通过模拟系统,我们对相关原理有了深刻的理解。”

  除了解恒星外,研究人员相信STARFORGE可以帮助科学家更多地了解宇宙甚至我们自己。

  Grudi认为,通过了解星系的形成,我们可以更多地了解宇宙的组成,理解我们来自哪里,以及我们在宇宙中的位置。

  Faucher-Gigure表示:“恒星的质量可以告诉我们它的亮度,以及恒星内部发生的核反应类型。有了这些,我们就可以了解更多合成恒星的元素,如碳元素和氧元素,这些元素也是构成我们人体的元素。”(辛雨)

[ 责编:蔡琳 ]
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