محاكاة ولادة النجوم المذهلة هي الأكثر واقعية

أول نموذج عالي الدقة لمحاكاة سحابة غاز كاملة حيث تولد النجوم.

فريق يتألف من جامعة نورث وسترن طور علماء الفيزياء الفلكية أكثر محاكاة ثلاثية الأبعاد واقعية وأعلى دقة لتشكيل النجوم حتى الآن. والنتيجة هي عجب رياضي مذهل بصريًا يسمح للمشاهدين بالطفو حول سحابة من الغاز الملون في مساحة ثلاثية الأبعاد أثناء مشاهدة النجوم المتلألئة وهي تظهر.

يُعرف الإطار الحسابي باسم STARFORGE (التكوين النجمي في البيئات الغازية) ، وهو أول إطار يحاكي سحابة غاز كاملة – أكبر 100 مرة من ذي قبل ومليئة بالألوان النابضة بالحياة – حيث تولد النجوم.

إنها أيضًا أول محاكاة لنمذجة تشكيل النجوم وتطورها ودينامياتها في وقت واحد مع مراعاة ردود الفعل النجمية ، بما في ذلك النفاثات والإشعاع والرياح ونشاط المستعر الأعظم القريب. في حين أن عمليات المحاكاة الأخرى قد تضمنت أنواعًا فردية من ردود الفعل النجمية ، فإن STARFORGE تضعها معًا لمحاكاة كيفية تفاعل هذه العمليات المختلفة للتأثير على تكوين النجوم.

https://www.youtube.com/watch؟v=Aehqb-vDV_w

باستخدام هذا المختبر الافتراضي الرائع ، يهدف الباحثون إلى استكشاف أسئلة طويلة الأمد ، بما في ذلك لماذا يكون تكوين النجوم بطيئًا وغير فعال ، وما الذي يحدد كتلة النجم ، ولماذا تميل النجوم إلى الانهيار.

استخدم الباحثون سابقًا STARFORGE لاكتشاف أن النفاثات الأولية – تدفقات الغاز عالية السرعة التي تصاحب تكوين النجوم – تلعب دورًا مهمًا في تحديد كتلة النجم. من خلال حساب الكتلة الدقيقة للنجم ، يمكن للباحثين بعد ذلك تحديد سطوعه وآلياته الداخلية ، وكذلك إجراء تنبؤات أفضل حول موته.

تم قبولها مؤخرًا من قبل الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية ، ظهرت نسخة متقدمة من المخطوطة ، توضح بالتفصيل البحث وراء النموذج الجديد ، على الإنترنت في 17 مايو 2021. ورقة مصاحبةوصفًا لكيفية تأثير الطائرات النفاثة على تكوين النجوم ، نُشر في نفس المجلة في فبراير 2021.

قال مايكل غروديك من جامعة نورث وسترن ، الذي شارك في قيادة العمل: “كان الناس يحاكيون تشكل النجوم منذ بضعة عقود حتى الآن ، لكن STARFORGE تمثل قفزة نوعية في التكنولوجيا”. لم تكن النماذج الأخرى قادرة إلا على محاكاة رقعة صغيرة من السحابة حيث تتشكل النجوم – وليس السحابة بأكملها بدقة عالية. بدون الحصول على الصورة الكبيرة ، نفقد الكثير من العوامل التي يمكن أن تؤثر على نتيجة النجم. “

قال كلود-أندريه فوشر-جيجير من نورث وسترن ، المؤلف الرئيسي للدراسة: “إن كيفية تشكل النجوم هي مسألة مركزية في الفيزياء الفلكية”. “لقد كان هذا سؤالًا صعبًا للغاية للاستكشاف بسبب مجموعة العمليات الفيزيائية المعنية. ستساعدنا هذه المحاكاة الجديدة في الإجابة مباشرة على الأسئلة الأساسية التي لم نتمكن من الإجابة عليها بشكل نهائي من قبل. “

لقطة لمحاكاة STARFORGE. ينهار قلب غازي دوار ، مكونًا نجمًا مركزيًا يطلق نفاثات ثنائية القطب على طول أقطابها بينما تتغذى على الغاز من القرص المحيط. تدفع النفاثات الغاز بعيدًا عن النواة ، مما يحد من مقدار تراكم النجم في النهاية. الائتمان: جامعة نورث وسترن / يوتا أوستن

Grudic هو زميل ما بعد الدكتوراه في مركز نورث وسترن للاستكشاف متعدد التخصصات والبحث في الفيزياء الفلكية (CIERA). Faucher-Giguère أستاذ مساعد للفيزياء وعلم الفلك في كلية واينبرغ للفنون والعلوم في نورث وسترن وعضو في CIERA. شارك Grudic في إدارة العمل مع Dávid Guszejnov ، زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة تكساس في أوستن.

من البداية إلى النهاية ، يستغرق تكوين النجوم عشرات الملايين من السنين. لذلك على الرغم من أن علماء الفلك يرصدون السماء ليلاً للحصول على لمحة عن العملية ، إلا أنهم لا يستطيعون سوى رؤية لقطة سريعة.

قال غروديك: “عندما نشاهد النجوم تتشكل في منطقة معينة ، فإن كل ما نراه هو مواقع تشكل النجوم مجمدة في الوقت المناسب”. “النجوم تتشكل أيضًا في سحب من الغبار ، لذا فهي مخفية في الغالب.”

لكي يتمكن علماء الفيزياء الفلكية من تصور العملية الديناميكية الكاملة لتشكيل النجوم ، يجب عليهم الاعتماد على المحاكاة. لتطوير STARFORGE ، قام الفريق بدمج كود كمبيوتر لظواهر متعددة في الفيزياء ، بما في ذلك ديناميات الغاز ، والمجالات المغناطيسية ، والجاذبية ، والتدفئة والتبريد ، وعمليات التغذية المرتدة للنجوم. يستغرق النموذج أحيانًا ثلاثة أشهر كاملة لتشغيل المحاكاة ، ويتطلب أحد أكبر أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم ، وهي منشأة تدعمها مؤسسة العلوم الوطنية ويديرها مركز تكساس للحوسبة المتقدمة.

تظهر المحاكاة الناتجة كتلة غاز تطفو حول المجرة – تساوي عشرات إلى ملايين المرات كتلة الشمس. عندما تتطور سحابة الغاز ، فإنها تشكل هياكل تنهار وتتشقق إلى قطع ، والتي تشكل في النهاية نجومًا فردية. بمجرد تشكل النجوم ، تطلق نفاثات من الغاز إلى الخارج من كلا القطبين ، تخترق السحابة المحيطة. تنتهي العملية عندما لا يكون هناك المزيد من الغاز لتكوين المزيد من النجوم.

صب وقود الطائرات على النمذجة

بالفعل ، ساعدت STARFORGE الفريق في اكتشاف رؤية جديدة مهمة لتشكيل النجوم. عندما أجرى الباحثون المحاكاة دون التفكير في النفاثات ، انتهى الأمر بالنجوم كبيرة جدًا – 10 أضعاف كتلة الشمس. بعد إضافة النفاثات إلى المحاكاة ، أصبحت كتل النجوم أكثر واقعية – أقل من نصف كتلة الشمس.

قال جروديك: “الطائرات تعطل تدفق الغاز إلى النجم”. “هم في الأساس ينفثون غازًا سينتهي به الأمر في النجم ويزيد من كتلته. اشتبه الناس في أن هذا يمكن أن يحدث ، ولكن من خلال محاكاة النظام بأكمله لدينا فهم قوي لكيفية عمله. “

لقطة من أول محاكاة STARFORGE كاملة. يطلق عليها اسم “سندان الخلق” ، وهي سحابة جزيئية عملاقة ذات تكوين نجمي فردي وردود فعل كاملة ، بما في ذلك النفاثات الأولية ، والإشعاع ، والرياح النجمية ، والمستعرات الأعظمية المنهارة للقلب. الائتمان: جامعة نورث وسترن / يوتا أوستن

بالإضافة إلى فهم النجوم ، يعتقد Grudic و Faucher-Giguère أن STARFORGE يمكن أن تساعدنا في معرفة المزيد عن الكون وحتى عن أنفسنا.

قال غروديك: “يعتمد فهم تكوين المجرات على افتراضات حول تشكل النجوم”. “إذا تمكنا من فهم تكوين النجوم ، عندها يمكننا فهم تكوين المجرات. ومن خلال فهم تكوين المجرات ، يمكننا أن نفهم بشكل أفضل مما يتكون الكون. يعتمد فهم من أين أتينا وكيف نحن في الكون في النهاية على فهم أصول النجوم.

“معرفة كتلة النجم يخبرنا عن لمعانه وكذلك أنواع التفاعلات النووية التي تحدث في الداخل ،” قال Faucher-Giguère. “من خلال هذا ، يمكننا معرفة المزيد عن العناصر المركبة في النجوم ، مثل الكربون والأكسجين ، التي صنعنا منها أيضًا.”

المرجع: “STARFORGE: نحو وضع رقمي كامل لتشكيل الكتلة النجمية وردود الفعل” بقلم مايكل واي غروديك ، ودافيد جوسجينوف ، وفيليب إف هوبكنز ، وستيلا إس آر أوفنر ، وكلود أندريه فوشر جيجير ، 17 مايو 2021 ، إشعارات شهرية من الجمعية الفلكية الملكية.
DOI: 10.1093 / mnras / stab1347

تم دعم الدراسة من قبل مؤسسة العلوم الوطنية و ناسا.