Niemand heeft de eerste sterren nog gevonden.

Er wordt verondersteld dat ze ongeveer 100 miljoen jaar na de oerknal zijn gevormd uit universele duisternis uit de oergassen van waterstof, helium, en sporen van lichte metalen. Deze gassen koelden af, ingestort, en ontstoken in sterren tot 1, 000 keer massiever dan onze zon. Hoe groter de ster, hoe sneller ze opbranden. De eerste sterren leefden waarschijnlijk maar een paar miljoen jaar, een druppel in de emmer van de leeftijd van het heelal, op ongeveer 13,8 miljard jaar. Het is onwaarschijnlijk dat ze ooit worden waargenomen, verloren in de nevelen van de tijd.

Toen de metaalvrije eerste sterren instortten en explodeerden tot supernova's, ze smeedden zwaardere elementen zoals koolstof die de volgende generatie sterren zaaiden. Eén type van deze tweede sterren wordt een koolstofarme ster genoemd. Ze zijn als fossielen voor astrofysici. Hun samenstelling weerspiegelt de nucleosynthese, of fusie, van zwaardere elementen van de eerste sterren.

"We kunnen resultaten krijgen van indirecte metingen om de massaverdeling van metaalvrije sterren te krijgen uit de elementaire abundanties van metaalarme sterren, " zei generaal Chiaki, een postdoctoraal onderzoeker in het Centrum voor Relativistische Astrofysica, School voor natuurkunde, Georgië Tech.

Chiaki is de hoofdauteur van een studie die is gepubliceerd in het septembernummer van de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society . De studie modelleerde voor het eerst vage supernova's van metaalvrije eerste sterren, die koolstofversterkte overvloedspatronen opleverde door het mengen en terugvallen van de uitgeworpen bits.

Hun simulaties toonden ook de koolstofhoudende korrels die de fragmentatie van de geproduceerde gaswolk zaaiden, wat leidt tot de vorming van 'giga-metaalarme' sterren met een lage massa die tot op de dag van vandaag kunnen overleven en mogelijk in toekomstige waarnemingen kunnen worden gevonden.

"We vinden dat deze sterren een zeer laag ijzergehalte hebben in vergelijking met de waargenomen koolstofversterkte sterren met miljardsten van de zonne-overvloed aan ijzer. we kunnen de fragmentatie van de gaswolken zien. Dit geeft aan dat de sterren met een lage massa zich vormen in een regime met een laag ijzergehalte. Zulke sterren zijn nog nooit waargenomen. Onze studie geeft ons theoretisch inzicht in de vorming van eerste sterren, ' zei Chiaki.

De onderzoeken van Wise en Chiaki maken deel uit van een veld dat 'galactische archeologie' wordt genoemd. Ze vergelijken het met het zoeken naar ondergrondse artefacten die vertellen over het karakter van lang vervlogen samenlevingen. Aan astrofysici, het karakter van lang vervlogen sterren kan worden onthuld aan de hand van hun gefossiliseerde overblijfselen.

"We kunnen de allereerste generaties sterren niet zien, " zei co-auteur John Wise, een universitair hoofddocent ook bij het Centrum voor Relativistische Astrofysica, School voor natuurkunde, Georgië Tech. "Daarom, het is belangrijk om echt naar deze levende fossielen uit het vroege heelal te kijken, omdat ze overal de vingerafdrukken van de eerste sterren hebben door de chemicaliën die in de supernova van de eerste sterren werden geproduceerd."

"Deze oude sterren hebben enkele vingerafdrukken van de nucleosynthese van metaalvrije sterren. Het is een hint voor ons om het nucleosynthesemechanisme te zoeken dat in het vroege universum plaatsvindt, ' zei Chiaki.

"Dat is waar onze simulaties in het spel komen om dit te zien gebeuren. Nadat je de simulatie hebt uitgevoerd, je kunt er een korte film van bekijken om te zien waar de metalen vandaan komen en hoe de eerste sterren en hun supernova's deze fossielen beïnvloeden die tot op de dag van vandaag leven, ' zei Wijs.

De wetenschappers modelleerden eerst de vorming van hun eerste ster, een populatie III- of Pop III-ster genoemd, en voerde drie verschillende simulaties uit die overeenkwamen met de massa van 13,5, 50, en 80 zonsmassa's. De simulaties zijn opgelost voor de stralingsoverdracht tijdens de hoofdreeks en daarna nadat deze sterft en supernova wordt. De laatste stap was om de ineenstorting van de wolk van moleculen te ontwikkelen die door de supernova werd uitgespuwd en waarbij een chemisch netwerk van 100 reacties en 50 soorten zoals koolmonoxide en water betrokken was.

Het merendeel van de simulaties werd uitgevoerd op het Georgia Tech PACE-cluster. Ze kregen ook computertoewijzingen van de door de National Science Foundation (NSF) gefinancierde Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE). Stampede2 in het Texas Advanced Computing Center (TACC) en Comet in het San Diego Supercomputer Center (SDSC) voerden enkele van de hoofdreeks stralingsoverdrachtsimulaties uit via XSEDE-toewijzingen.

"De XSEDE-systemen Comet bij SDSC en Stampede2 bij TACC zijn erg snel en hebben een groot opslagsysteem. Ze waren zeer geschikt om onze enorme numerieke simulaties uit te voeren, ' zei Chiaki.

"Omdat Stampede2 zo groot is, ook al moet het duizenden onderzoekers huisvesten, het is nog steeds een onschatbare hulpbron voor ons, Wise zei. "We kunnen onze simulaties niet zomaar uitvoeren op lokale machines bij Georgia Tech."

Chiaki zei dat hij ook blij was met de snelle wachtrijen op Comet bij SDSC. "Op komeet, Ik kon de simulaties meteen uitvoeren, net nadat ik de opdracht had ingediend, " hij zei.

Wise has been using XSEDE system allocations for over a decade, starting when he was a postdoc. "I couldn't have done my research without XSEDE."

XSEDE also provided expertise for the researchers to take full advantage of their supercomputer allocations through the Extended Collaborative Support Services (ECSS) program. Wise recalled using ECSS several years ago to improve the performance of the Enzo adaptive mesh refinement simulation code he still uses to solve the radiative transfer of stellar radiation and supernovae.

"Through ECSS, I worked with Lars Koesterke at TACC, and I found out that he used to work in astrophysics. He worked with me to improve the performance by about 50 percent of the radiation transport solver. He helped me profile the code to pinpoint which loops were taking the most time, and how to speed it up by reordering some loops. I don't think I would have identified that change without his help, " Wise said.

Wise has also been awarded time on TACC's NSF-funded Frontera system, the fastest academic supercomputer in the world. "We haven't gotten to full steam yet on Frontera. But we're looking forward to using it, because that's even a larger, more capable resource."

Wise added:"We're all working on the next generation of Enzo. We call it Enzo-E, E for exascale. This is a total re-write of Enzo by James Bordner, a computer scientist at the San Diego Supercomputer Center. And it scales almost perfectly to 256, 000 cores so far. That was run on NSF's Blue Waters. I think he scaled it to the same amount on Frontera, but Frontera is bigger, so I want to see how far it can go."

The downside, hij zei, is that since the code is new, it doesn't have all the physics they need yet. "We're about two-thirds of the way there, " Wise said.

He said that he's also hoping to get access to the new Expanse system at SDSC, which will supersede Comet after it retires in the next year or so. "Expanse has over double the compute cores per node than any other XSEDE resource, which will hopefully speed up our simulations by reducing the communication time between cores, " Wise said.

According to Chiaki, the next steps in the research are to branch out beyond the carbon features of ancient stars. "We want to enlarge our interest to the other types of stars and the general elements with larger simulations, " hij zei.

Said Chiaki:"The aim of this study is to know the origin of elements, such as carbon, zuurstof, and calcium. These elements are concentrated through the repetitive matter cycles between the interstellar medium and stars. Our bodies and our planet are made of carbon and oxygen, stikstof, and calcium. Our study is very important to help understand the origin of these elements that we human beings are made of."