Wetenschap
Supercomputersimulaties ontcijferen de massapuzzel van de eerste sterren
Ching-Yao Tang en Dr. Ke-Jung Chen van het Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica (ASIAA) hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het decoderen van de geboortemassa van de eerste sterren met behulp van de krachtige supercomputer van Berkeley National Lab.
Dit nieuwe onderzoek wordt gerapporteerd in het laatste nummer van de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .
Tijdens de vroegste stadia van het heelal bestonden er na de oerknal alleen waterstof en helium, en cruciale levensondersteunende elementen zoals koolstof en zuurstof moesten nog ontstaan. Ongeveer 200 miljoen jaar later begonnen de eerste sterren, bekend als Populatie III-sterren (Pop III), zich te vormen.
Deze sterren brachten de productie van zwaardere elementen op gang door kernverbranding in hun kernen. Toen deze sterren het einde van hun levenscyclus bereikten, werden sommige sterren supernova's, waardoor krachtige explosies ontstonden die nieuw gesynthetiseerde elementen in het vroege universum verspreidden en zo de basis voor het leven vormden.
Het type supernova dat optreedt, hangt af van de massa van de eerste ster bij zijn ondergang, wat resulteert in verschillende patronen van chemische overvloed. Waarnemingen van extreem metaalarme (EMP) sterren, gevormd na de eerste sterren en hun supernova's, zijn cruciaal geweest bij het schatten van de typische massa van de eerste sterren. Observationeel suggereert de elementaire overvloed aan EMP-sterren dat de eerste sterren massa's hadden variërend van 12 tot 60 zonsmassa's.
-
De afbeelding toont de kosmologische structuur tijdens de periode van de eerste stervorming, ongeveer 200 miljoen jaar na de oerknal. De grijze structuren illustreren de verdeling van donkere materie wanneer de eerste sterren worden gevormd in sommige halo's van donkere materie. De kleurrijke vlekken vertegenwoordigen sterren met verschillende massa's en bieden een visuele weergave van de complexe processen die het vroege heelal vormden. Credit:ASIAA/Ke-Jung Chen -
Tijdens de vorming van kosmische structuren stroomt primordiaal gas in de zwaartekrachtbronnen die worden gecreëerd door halo's van donkere materie. Terwijl het binnenstromende gas samenkomt in het halocentrum, initieert het een krachtige turbulente beweging. Deze intense turbulentie zorgt ervoor dat de wolk in beweging komt, waardoor er duidelijke klonterige structuren ontstaan, zoals hierboven afgebeeld. Uiteindelijk ondergaan de dichte kernen binnen deze klonten een ineenstorting door de zwaartekracht, wat de vorming van de eerste sterren markeert. Credit:ASIAA/Ching-Yao Tang
Eerdere kosmologische simulaties suggereerden echter een topzware en breed verspreide massafunctie voor de eerste sterren, variërend van 50 tot 1.000 zonsmassa's. Deze aanzienlijke massale discrepantie tussen simulaties en observaties heeft astrofysici al meer dan tien jaar verbijsterd.
Ching-Yao Tang en Ke-Jung Chen gebruikten de krachtige supercomputer van het Berkeley National Lab om 's werelds eerste hoge-resolutie 3D-hydrodynamica-simulaties van turbulente stervormende wolken voor de eerste sterren te maken. Hun resultaten geven aan dat supersonische turbulentie de stervormende wolken effectief in verschillende klonten fragmenteert, elk met dichte kernen variërend van 22 tot 175 zonsmassa’s, die voorbestemd zijn om de eerste sterren te vormen met een massa van ongeveer 8 tot 58 zonsmassa’s die goed overeenkomen met de waarneming. .
Bovendien kunnen de onderzoekers, als de turbulentie zwak of onopgelost is in de simulaties, vergelijkbare resultaten uit eerdere simulaties reproduceren. Dit resultaat benadrukt eerst het belang van turbulentie bij de eerste stervorming en biedt een veelbelovend pad om de theoretische massaschaal van de eerste sterren te verkleinen. Het verzoent met succes de massadiscrepantie tussen simulaties en waarnemingen, waardoor een sterke theoretische basis wordt gelegd voor de eerste stervorming.