Een team met astrofysici van de Northwestern University heeft de meest realistische, 3D-simulatie van stervorming met de hoogste resolutie tot nu toe. Het resultaat is een visueel verbluffende, wiskundig gedreven wonder dat kijkers in staat stelt om rond een kleurrijke gaswolk in 3D-ruimte te zweven terwijl ze fonkelende sterren zien opduiken.

Genaamd STARFORGE (Star Formation in Gaseous Environments), het computationele raamwerk is het eerste dat een volledige gaswolk simuleert - 100 keer massiever dan voorheen mogelijk en vol levendige kleuren - waar sterren worden geboren.

Het is ook de eerste simulatie die gelijktijdig stervorming modelleert, evolutie en dynamiek, rekening houdend met stellaire feedback, inclusief jets, straling, wind en nabijgelegen supernova-activiteit. Terwijl andere simulaties individuele soorten stellaire feedback hebben opgenomen, STARFORGE zet ze samen om te simuleren hoe deze verschillende processen op elkaar inwerken om stervorming te beïnvloeden.

Met behulp van dit prachtige virtuele laboratorium, de onderzoekers streven ernaar om al lang bestaande vragen te onderzoeken, inclusief waarom stervorming traag en inefficiënt is, wat bepaalt de massa van een ster en waarom sterren de neiging hebben zich in clusters te vormen.

De onderzoekers hebben STARFORGE al gebruikt om te ontdekken dat protostellaire jets - snelle gasstromen die gepaard gaan met stervorming - een cruciale rol spelen bij het bepalen van de massa van een ster. Door de exacte massa van een ster te berekenen, onderzoekers kunnen dan de helderheid en interne mechanismen bepalen en betere voorspellingen doen over de dood ervan.

Nieuw geaccepteerd door de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society , een geavanceerde kopie van het manuscript, detaillering van het onderzoek achter het nieuwe model, vandaag online verschenen. Een begeleidend document, beschrijven hoe jets stervorming beïnvloeden, werd in februari 2021 in hetzelfde tijdschrift gepubliceerd.

"Mensen simuleren nu al een paar decennia stervorming, maar STARFORGE is een kwantumsprong in technologie, " zei Michael Grudić van Northwestern, die het werk mede leidde. "Andere modellen hebben slechts een klein stukje van de wolk kunnen simuleren waar sterren worden gevormd - niet de hele wolk in hoge resolutie. Zonder het grote geheel te zien, we missen veel factoren die de uitkomst van de ster kunnen beïnvloeden."

"Hoe sterren worden gevormd, is een zeer centrale vraag in de astrofysica, " zei Claude-André Faucher-Giguère van Northwestern, een senior auteur over de studie. "Het was een zeer uitdagende vraag om te onderzoeken vanwege het scala aan fysieke processen die erbij betrokken zijn. Deze nieuwe simulatie zal ons helpen om fundamentele vragen direct aan te pakken die we eerder niet definitief konden beantwoorden."

Grudić is een postdoctoraal onderzoeker bij Northwestern's Centre for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Faucher-Giguère is universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern en lid van CIERA. Grudić leidde het werk samen met Dávid Guszejnov, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Texas in Austin.

Van begin tot eind, stervorming duurt tientallen miljoenen jaren. Dus zelfs als astronomen de nachtelijke hemel observeren om een ​​glimp van het proces op te vangen, ze kunnen alleen een korte momentopname bekijken.

"Als we sterren zien ontstaan ​​in een bepaald gebied, we zien alleen stervormingslocaties die in de tijd zijn bevroren, " zei Grudić. "Sterren vormen zich ook in stofwolken, dus ze zijn meestal verborgen."

Voor astrofysici om het volledige te bekijken, dynamisch proces van stervorming, ze moeten vertrouwen op simulaties. Om STARFORGE te ontwikkelen, het team heeft computationele code opgenomen voor meerdere fenomenen in de natuurkunde, inclusief gasdynamica, magnetische velden, zwaartekracht, verwarming en koeling en stellaire feedbackprocessen. Soms duurt het drie volle maanden om één simulatie uit te voeren, het model vereist een van de grootste supercomputers ter wereld, een faciliteit die wordt ondersteund door de National Science Foundation en wordt beheerd door het Texas Advanced Computing Center.

De resulterende simulatie toont een gasmassa - tientallen tot miljoenen keren de massa van de zon - die in de melkweg zweeft. Naarmate de gaswolk evolueert, het vormt structuren die instorten en in stukken breken, die uiteindelijk individuele sterren vormen. Zodra de sterren zich vormen, ze lanceren gasstralen naar buiten vanaf beide polen, doordringend door de omringende wolk. Het proces eindigt wanneer er geen gas meer is om sterren te vormen.

Vliegtuigbrandstof op modelbouw gieten

Nu al, STARFORGE heeft het team geholpen een cruciaal nieuw inzicht in stervorming te ontdekken. Toen de onderzoekers de simulatie uitvoerden zonder rekening te houden met jets, de sterren werden veel te groot - 10 keer de massa van de zon. Na het toevoegen van jets aan de simulatie, de massa's van de sterren werden veel realistischer - minder dan de helft van de massa van de zon.

"Jets verstoren de instroom van gas naar de ster, "Zei Grudić. "Ze blazen in wezen gas weg dat in de ster zou zijn beland en zijn massa zou vergroten. Mensen vermoedden dat dit zou kunnen gebeuren, maar, door het hele systeem te simuleren, we hebben een robuust begrip van hoe het werkt."

Naast het begrijpen van meer over sterren, Grudić en Faucher-Giguère geloven dat STARFORGE ons kan helpen meer te leren over het universum en zelfs over onszelf.

"Het begrijpen van de vorming van sterrenstelsels hangt af van aannames over stervorming, " zei Grudić. "Als we stervorming kunnen begrijpen, dan kunnen we de vorming van sterrenstelsels begrijpen. En door de vorming van sterrenstelsels te begrijpen, we kunnen meer begrijpen over waar het universum uit bestaat. Begrijpen waar we vandaan komen en hoe we ons in het universum bevinden, hangt uiteindelijk af van het begrijpen van de oorsprong van sterren."

"Het kennen van de massa van een ster vertelt ons zowel zijn helderheid als welke soorten kernreacties erin plaatsvinden, " zei Faucher-Giguère. "Daarmee, kunnen we meer leren over de elementen die in sterren worden gesynthetiseerd, zoals koolstof en zuurstof - elementen waar we ook van zijn gemaakt."

De studie, "STARFORGE:Op weg naar een uitgebreide numerieke modus van sterclustervorming en feedback, " werd ondersteund door de National Science Foundation en NASA.