Das erste hochauflösende Modell, das eine vollwertige Gaswolke simuliert, in der Sterne geboren werden.

Team bestehend aus Northwestern University Astrophysiker haben die bisher realistischste und auflösendste 3D-Simulation der Sternentstehung entwickelt. Das Ergebnis ist ein visuell atemberaubendes mathematisches Wunderwerk, mit dem der Betrachter in einem 3D-Raum um eine bunte Gaswolke schweben kann, während die funkelnden Sterne erscheinen.

Das als STARFORGE (Sternentstehung in gasförmigen Umgebungen) bekannte Rechengerüst ist das erste Bild, das eine vollständige Gaswolke simuliert – 100-mal größer als bisher möglich und voller lebendiger Farben -, in der Sterne geboren werden.

Es ist auch die erste Simulation, die die Bildung, Entwicklung und Dynamik von Sternen gleichzeitig unter Berücksichtigung von Sternreaktionen wie Jets, Strahlung, Wind und Supernova-Aktivität in der Nähe modelliert. Während andere Simulationen einzelne Arten von Sternreaktionen beinhalteten, setzt STARFORGE sie zusammen, um zu simulieren, wie diese verschiedenen Prozesse interagieren, um die Sternentstehung zu beeinflussen.

Mithilfe dieses wunderschönen hypothetischen Labors wollen die Forscher langfristige Fragen untersuchen, darunter, warum die Sternentstehung langsam und ineffektiv ist, was die Masse eines Sterns bestimmt und warum sich Sterne in Clustern bilden.

Forscher haben STARFORGE bereits verwendet, um herauszufinden, dass Elementarstrahlen – die Hochgeschwindigkeitsgasströme, die mit der Sternentstehung einhergehen – eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Masse eines Sterns spielen. Durch die Berechnung der genauen Masse eines Sterns können Forscher dann seine Helligkeit und seine internen Mechanismen bestimmen sowie bessere Vorhersagen über seinen Tod treffen.

Es wurde neu in die monatlichen Mitteilungen der Royal Astronomical Society aufgenommen, und eine erweiterte Version des Manuskripts, die die Forschung hinter dem neuen Modell detailliert beschreibt, erschien online am 17. Mai 2021. Begleitblatt, In dem beschrieben wird, wie Jets die Sternentstehung beeinflussen, wurde im Februar 2021 in derselben Zeitschrift veröffentlicht.

„Die Menschen simulieren seit zwei Jahrzehnten die Sternentstehung, aber STARFORGE stellt einen Quantensprung in der Technologie dar“, sagte Michael Grodek von der Northwestern University, der die Arbeit mit leitete. Andere Modelle konnten nur einen kleinen Wolkenfleck simulieren, in dem sich Sterne bilden – nicht die gesamte Wolke mit hoher Genauigkeit. Ohne das große Ganze zu sehen, vermissen wir viele Faktoren, die das Ergebnis des Sterns beeinflussen können. „

„Wie sich Sterne bilden, ist eine zentrale Frage in der Astrophysik“, sagte Claude-Andre Faucher-Geiger von der Northwestern University, einem der führenden Autoren der Studie. „Aufgrund der Vielzahl der beteiligten physikalischen Prozesse war es sehr schwierig, diese Frage zu untersuchen. Diese neue Simulation wird uns helfen, grundlegende Fragen zu beantworten, die wir zuvor noch nicht endgültig beantworten konnten.“

Screenshot von der STARFORGE-Simulation. Ein rotierender Gaskern kollabiert und bildet einen zentralen Stern, der Dipolstrahlen entlang ihrer Pole abfeuert, wenn sie sich von Gas aus der umgebenden Scheibe ernähren. Die Jets drücken das Gas vom Kern weg, was die Menge begrenzt, in der sich der Stern schließlich versammeln kann. Bildnachweis: Northwestern University / Utah Austin

Grudic ist Postdoktorand am Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Faucher-Giguère ist außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie an der Weinberg School of Arts and Sciences der Northwestern University und Mitglied der CIERA. Grudic leitete die Arbeit gemeinsam mit Dávid Guszejnov, einem Postdoktoranden an der University of Texas in Austin.

Von Anfang bis Ende dauert es zig Millionen Jahre, um Sterne zu bilden. Selbst wenn Astronomen den Nachthimmel beobachten, um einen Blick auf den Prozess zu werfen, können sie nur einen kurzen Schnappschuss zeigen.

„Wenn wir die Sternentstehung in einer bestimmten Region beobachten, sehen wir nur sternförmige Stellen, die im Laufe der Zeit eingefroren sind“, sagte Grodek. „Sterne bilden sich auch in Staubwolken, deshalb sind sie oft versteckt.“

Damit Astrophysiker den gesamten dynamischen Prozess der Sternentstehung sehen können, müssen sie sich auf Simulationen verlassen. Um STARFORGE zu entwickeln, hat das Team Rechencode für verschiedene Phänomene in der Physik integriert, darunter Gasdynamik, Magnetfelder, Schwerkraft, Erwärmung und Abkühlung sowie Sternrückkopplungsprozesse. Dieses Modell benötigt manchmal volle drei Monate, um eine einzelne Simulation auszuführen, und erfordert einen der größten Supercomputer der Welt, eine Einrichtung, die von der National Science Foundation unterstützt und vom Texas Center for Advanced Computing verwaltet wird.

Die resultierenden Simulationen zeigen eine in der Galaxie schwebende Gasmasse – das Zehn- bis Millionenfache der Sonnenmasse. Während sich die Gaswolke entwickelt, bildet sie Strukturen, die zusammenbrechen und sich in Stücke teilen, die schließlich einzelne Sterne bilden. Sobald sich Sterne bilden, werden Gasstrahlen von beiden Polen freigesetzt und dringen in die umgebende Wolke ein. Der Prozess endet, wenn kein Gas mehr vorhanden ist, um weitere Sterne zu bilden.

Gießen Sie Düsentreibstoff auf die Modellierung

In der Tat half STARFORGE dem Team, wichtige neue Erkenntnisse über die Sternentstehung zu gewinnen. Als die Forscher die Simulationen durchführten, ohne die Jets zu zählen, waren die Sterne sehr groß – das Zehnfache der Sonnenmasse. Nach dem Hinzufügen der Jets zur Simulation wurden die Sternmassen realistischer – weniger als die Hälfte der Sonnenmasse.

„Flugzeuge stören den Gasfluss zum Stern“, sagte Grodek. „Sie speien im Wesentlichen Gas aus, das in den Stern gelangt und dessen Masse erhöht. Die Leute haben vermutet, dass dies passieren könnte, aber durch die Simulation des gesamten Systems haben wir ein solides Verständnis dafür, wie es funktioniert.“

Ein Schnappschuss der ersten vollständigen STARFORGE-Simulation. Es wird „Amboss der Schöpfung“ genannt und ist eine riesige Molekülwolke mit singulärer Sternentstehung und globalen Reaktionen, einschließlich Primärstrahlen, Strahlung, Sternwinden und kollabierenden Supernovae. Bildnachweis: Northwestern University / Utah Austin

Grudic und Faucher-Giguère verstehen nicht nur mehr über die Sterne, sondern glauben auch, dass STARFORGE uns helfen kann, mehr über das Universum und sogar über uns selbst zu erfahren.

„Das Verständnis der Entstehung von Galaxien hängt von Annahmen über die Sternentstehung ab“, sagte Grodek. „Wenn wir die Entstehung von Sternen verstehen können, können wir die Entstehung von Galaxien verstehen. Wenn wir die Entstehung von Galaxien verstehen, können wir mehr darüber verstehen, woraus das Universum besteht. Verstehen, woher wir kommen und wie wir in das Universum fallen hängt letztendlich davon ab, die Herkunft der Sterne zu verstehen. „

„Wenn wir die Masse eines Sterns kennen, wissen wir etwas über seine Helligkeit und die Art der Kernreaktionen, die in ihm stattfinden“, sagte Faucher Geiger. „Auf diese Weise können wir mehr über die Elemente erfahren, die in Sternen hergestellt werden, wie Kohlenstoff und Sauerstoff – die Elemente, aus denen wir auch bestehen.“

Referenz: „STARFORGE: Auf dem Weg zu einem umfassenden numerischen Modus für die Bildung und Reaktion von Sternhaufen“ von Michael Y. Grodek, David Gusgenov, Philip F. Hopkins, Stella SR Offner und Claude-Andre Faucher-Geiger, 17. Mai 2021, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / stab1347

Die Studie wurde von der National Science Foundation und unterstützt NASA.