La increíble simulación de desove de estrellas es la más realista de la historia

Una instantánea de la primera simulación completa de STARFORGE. Se llama el “Yunque de la Creación” y es una nube molecular gigante con formación estelar singular y reacciones globales, que incluyen chorros primarios, radiación, vientos estelares y supernovas en colapso. Crédito: Universidad Northwestern / Utah Austin

El primer modelo de alta resolución que simula una nube de gas en toda regla donde nacen las estrellas.

Equipo compuesto Northwestern University Los astrofísicos han desarrollado la simulación 3D de formación estelar más realista y de mayor resolución hasta el momento. El resultado es una maravilla visualmente impactante impulsada por las matemáticas que permite a los espectadores flotar alrededor de una colorida nube de gas en un espacio 3D mientras ven aparecer las estrellas titilantes.

Conocido como STARFORGE (formación de estrellas en entornos gaseosos), el marco computacional es el primer fotograma que simula una nube de gas completa, 100 veces más grande de lo que era posible anteriormente y llena de colores vibrantes, en la que nacen las estrellas.

También es la primera simulación que modela la formación, la evolución y la dinámica de las estrellas simultáneamente, teniendo en cuenta las reacciones estelares, incluidos los chorros, la radiación, los vientos y la actividad de las supernovas cercanas. Mientras que otras simulaciones han involucrado tipos individuales de reacciones estelares, STARFORGE las junta para simular cómo estos diferentes procesos interactúan para afectar la formación estelar.

Usando este hermoso laboratorio hipotético, los investigadores tienen como objetivo explorar preguntas a largo plazo, incluido por qué la formación de estrellas es lenta e ineficaz, qué determina la masa de una estrella y por qué las estrellas tienden a formarse en cúmulos.

Los investigadores ya han utilizado STARFORGE para descubrir que los chorros elementales, los flujos de gas de alta velocidad que acompañan a la formación de estrellas, juegan un papel vital en la determinación de la masa de una estrella. Al calcular la masa exacta de una estrella, los investigadores pueden determinar su brillo y mecanismos internos, así como hacer mejores predicciones sobre su muerte.

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Fue aceptado recientemente en los Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society, y una versión avanzada del manuscrito, que detalla la investigación detrás del nuevo modelo, apareció en línea el 17 de mayo de 2021. Hoja de acompañamiento, Que describe cómo los chorros afectan la formación de estrellas, se publicó en la misma revista en febrero de 2021.

“La gente ha estado simulando la formación de estrellas durante dos décadas, pero STARFORGE representa un salto cuántico en tecnología”, dijo Michael Grodek de la Universidad Northwestern, quien codirigió el trabajo. Otros modelos solo pudieron simular un pequeño parche de nube donde se están formando las estrellas, no toda la nube con alta precisión. Sin ver el panorama general, pasamos por alto muchos factores que pueden afectar el resultado de la estrella “.

“Cómo se forman las estrellas es una cuestión central en astrofísica”, dijo Claude-Andre Faucher-Geiger de la Universidad Northwestern, uno de los principales autores del estudio. “Fue una pregunta muy difícil de explorar debido al conjunto de procesos físicos involucrados. Esta nueva simulación nos ayudará a abordar preguntas fundamentales que no hemos podido responder de manera concluyente antes”.

Avión bipolar

Captura de pantalla de la simulación STARFORGE. Un núcleo de gas en rotación colapsa, formando una estrella central que lanza chorros dipolos a lo largo de sus polos mientras se alimentan del gas del disco circundante. Los chorros empujan el gas lejos del núcleo, lo que limita la cantidad en la que la estrella puede eventualmente congregarse. Crédito: Universidad Northwestern / Utah Austin

Grudic es becario postdoctoral en el Centro Northwestern para la Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA). Faucher-Giguère es profesor asociado de física y astronomía en la Escuela de Artes y Ciencias Weinberg de la Universidad de Northwestern y miembro de CIERA. Grudic codirigió el trabajo con Dávid Guszejnov, un becario postdoctoral en la Universidad de Texas en Austin.

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De principio a fin, se necesitan decenas de millones de años para formar estrellas. Entonces, incluso cuando los astrónomos observan el cielo nocturno para observar el proceso, solo pueden mostrar una instantánea rápida.

“Cuando observamos la formación de estrellas en una región determinada, todo lo que vemos son sitios de formación de estrellas congelados con el tiempo”, dijo Grodek. “Las estrellas también se forman en nubes de polvo, por lo que a menudo están ocultas”.

Para que los astrofísicos vean el proceso dinámico completo de formación estelar, deben confiar en simulaciones. Para desarrollar STARFORGE, el equipo ha integrado código computacional para múltiples fenómenos de la física, incluida la dinámica de gases, campos magnéticos, gravedad, calentamiento y enfriamiento, y procesos de retroalimentación estelar. Este modelo a veces toma tres meses completos para ejecutar una sola simulación y requiere una de las supercomputadoras más grandes del mundo, una instalación respaldada por la National Science Foundation y administrada por el Texas Center for Advanced Computing.

Las simulaciones resultantes muestran una masa de gas flotando en la galaxia, de decenas a millones de veces la masa del sol. A medida que la nube de gas se desarrolla, forma estructuras que colapsan y se dividen en pedazos, que eventualmente forman estrellas individuales. Una vez que se forman las estrellas, se liberan chorros de gas desde ambos polos, que penetran en la nube circundante. El proceso termina cuando no queda gas para formar más estrellas.

Vierta combustible para aviones en el modelado

De hecho, STARFORGE ayudó al equipo a descubrir nuevos conocimientos importantes sobre la formación de estrellas. Cuando los investigadores realizaron las simulaciones sin contar los chorros, las estrellas terminaron siendo muy grandes, 10 veces la masa del Sol. Después de agregar los chorros a la simulación, las masas de estrellas se volvieron más realistas: menos de la mitad de la masa del Sol.

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“Los aviones interrumpen el flujo de gas hacia la estrella”, dijo Grodek. “Básicamente, están arrojando gas que terminará en la estrella y aumentará su masa. La gente sospecha que esto podría suceder, pero al simular todo el sistema, tenemos una sólida comprensión de cómo funciona”.

Simulación STARFORGE

Una instantánea de la primera simulación completa de STARFORGE. Se llama el “Yunque de la Creación” y es una nube molecular gigante con formación estelar singular y reacciones globales, que incluyen chorros primarios, radiación, vientos estelares y supernovas en colapso. Crédito: Universidad Northwestern / Utah Austin

Además de comprender más sobre las estrellas, Grudic y Faucher-Giguère creen que STARFORGE puede ayudarnos a aprender más sobre el universo e incluso sobre nosotros mismos.

“Comprender la formación de galaxias depende de suposiciones sobre la formación de estrellas”, dijo Grodek. “Si podemos comprender la formación de las estrellas, entonces podemos comprender la formación de las galaxias. Al comprender la formación de las galaxias, podemos comprender más sobre de qué está hecho el universo. Comprender de dónde venimos y cómo caemos en el universo depende en última instancia de comprender los orígenes de las estrellas “.

“Conocer la masa de una estrella nos dice sobre su brillo y también los tipos de reacciones nucleares que tienen lugar en su interior”, dijo Faucher Geiger. “Al hacer esto, podemos aprender más sobre los elementos que se forman en las estrellas, como el carbono y el oxígeno, los elementos de los que también estamos hechos”.

Referencia: “STARFORGE: Toward a Comprehensive Numerical Mode for Star Cluster Formation and Reactions” por Michael Y Grodek, David Gusgenov, Philip F Hopkins, Stella SR Offner y Claude-Andre Faucher-Geiger, 17 de mayo de 2021, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / stab1347

El estudio fue apoyado por la National Science Foundation y NASA.

Izer

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