Un’istantanea della prima simulazione completa di STARFORGE. Si chiama “Incudine della Creazione” ed è una gigantesca nuvola molecolare con singolari formazioni stellari e reazioni globali, inclusi getti primari, radiazioni, venti stellari e supernove che collassano. Credito: Northwestern University / Utah Austin

Il primo modello ad alta risoluzione per simulare una vera e propria nube di gas in cui nascono le stelle.

Team composto Northwestern University Gli astrofisici hanno sviluppato la simulazione 3D della formazione stellare più realistica e con la più alta risoluzione mai realizzata. Il risultato è una meraviglia visivamente sbalorditiva guidata dalla matematica che consente agli spettatori di fluttuare attorno a una nuvola di gas colorata in uno spazio 3D mentre guardano apparire le stelle scintillanti.

Conosciuta come STARFORGE (formazione stellare in ambienti gassosi), la struttura computazionale è il primo fotogramma a simulare una nuvola di gas completa – 100 volte più grande di quanto possibile in precedenza e piena di colori vivaci – in cui nascono le stelle.

È anche la prima simulazione a modellare simultaneamente la formazione, l’evoluzione e la dinamica delle stelle tenendo conto delle reazioni stellari, inclusi i getti, le radiazioni, i venti e l’attività delle supernove vicine. Mentre altre simulazioni hanno coinvolto tipi individuali di reazioni stellari, STARFORGE le mette insieme per simulare il modo in cui questi diversi processi interagiscono per influenzare la formazione stellare.

Utilizzando questo bellissimo laboratorio ipotetico, i ricercatori mirano a esplorare questioni a lungo termine, incluso il motivo per cui la formazione stellare è lenta e inefficace, cosa determina la massa di una stella e perché le stelle tendono a formarsi in ammassi.

I ricercatori hanno già utilizzato STARFORGE per scoprire che i getti elementari – i flussi di gas ad alta velocità che accompagnano la formazione stellare – svolgono un ruolo vitale nel determinare la massa di una stella. Calcolando la massa esatta di una stella, i ricercatori possono quindi determinarne la luminosità e i meccanismi interni, nonché fare previsioni migliori sulla sua morte.

È stato recentemente accettato negli Avvisi mensili della Royal Astronomical Society e una versione avanzata del manoscritto, che descrive dettagliatamente la ricerca alla base del nuovo modello, è apparsa online il 17 maggio 2021. Foglio di accompagnamento, Che descrive come i getti influenzano la formazione stellare, è stato pubblicato nella stessa rivista nel febbraio 2021.

“Le persone hanno simulato la formazione stellare per due decenni, ma STARFORGE rappresenta un salto di qualità nella tecnologia”, ha detto Michael Grodek della Northwestern University, che ha co-condotto il lavoro. Altri modelli sono stati in grado di simulare solo una piccola porzione di nuvola in cui si stanno formando le stelle, non l’intera nuvola con elevata precisione. Senza vedere il quadro generale, perdiamo molti fattori che possono influenzare il risultato della star “.

“Come si formano le stelle è una questione centrale in astrofisica”, ha detto Claude-Andre Faucher-Geiger della Northwestern University, uno dei principali autori dello studio. “Era una domanda molto difficile da esplorare a causa della serie di processi fisici coinvolti. Questa nuova simulazione ci aiuterà ad affrontare domande fondamentali a cui non siamo stati in grado di rispondere in modo definitivo prima”.

Screenshot dalla simulazione di STARFORGE. Un nucleo di gas rotante collassa, formando una stella centrale che rilascia getti di dipolo lungo i loro poli mentre si nutrono di gas dal disco circostante. I getti spingono il gas lontano dal nucleo, il che limita quanto la stella può eventualmente raccogliere. Credito: Northwestern University / Utah Austin

Grudic è un borsista post-dottorato presso il Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Faucher-Giguère è Professore Associato di Fisica e Astronomia presso la Weinberg School of Arts and Sciences della Northwestern University e membro di CIERA. Grudic ha co-condotto il lavoro con Dávid Guszejnov, un borsista post-dottorato presso l’Università del Texas ad Austin.

Dall’inizio alla fine, ci vogliono decine di milioni di anni per formare le stelle. Quindi, anche quando gli astronomi guardano il cielo notturno per dare un’occhiata al processo, possono solo mostrare una rapida istantanea.

“Quando osserviamo la formazione stellare in una determinata regione, tutto ciò che vediamo sono siti di formazione stellare congelati nel tempo”, ha detto Grodek. “Le stelle si formano anche in nuvole di polvere, quindi sono spesso nascoste”.

Affinché gli astrofisici possano vedere l’intero processo dinamico della formazione stellare, devono fare affidamento sulle simulazioni. Per sviluppare STARFORGE, il team ha integrato un codice computazionale per molteplici fenomeni in fisica, tra cui dinamica dei gas, campi magnetici, gravità, riscaldamento e raffreddamento e processi di feedback stellare. Questo modello a volte impiega tre mesi interi per eseguire una singola simulazione e richiede uno dei più grandi supercomputer al mondo, una struttura sostenuta dalla National Science Foundation e gestita dal Texas Center for Advanced Computing.

Le simulazioni risultanti mostrano una massa di gas fluttuante nella galassia, da decine a milioni di volte la massa del sole. Man mano che la nube di gas si sviluppa, forma strutture che collassano e si dividono in pezzi, che alla fine formano singole stelle. Una volta che le stelle si formano, getti di gas vengono rilasciati da entrambi i poli, penetrando nella nuvola circostante. Il processo termina quando non c’è più gas per formare più stelle.

Versare carburante per aviogetti sulla modellazione

In effetti, STARFORGE ha aiutato il team a scoprire nuove importanti intuizioni sulla formazione stellare. Quando i ricercatori hanno eseguito le simulazioni senza contare i getti, le stelle hanno finito per essere molto grandi – 10 volte la massa del Sole. Dopo aver aggiunto i getti alla simulazione, le masse stellari sono diventate più realistiche – meno della metà della massa del Sole.

“Gli aerei interrompono il flusso di gas verso la stella”, ha detto Grodek. “Stanno essenzialmente vomitando gas che finirà nella stella e ne aumenterà la massa. La gente sospettava che ciò potesse accadere, ma simulando l’intero sistema, abbiamo una solida comprensione di come funziona”.

Un’istantanea della prima simulazione completa di STARFORGE. Si chiama “Incudine della Creazione” ed è una gigantesca nuvola molecolare con singolari formazioni stellari e reazioni globali, inclusi getti primari, radiazioni, venti stellari e supernove che collassano. Credito: Northwestern University / Utah Austin

Oltre a capire di più sulle stelle, Grudic e Faucher-Giguère credono che STARFORGE possa aiutarci a saperne di più sull’universo e persino su noi stessi.

“La comprensione della formazione delle galassie dipende da ipotesi sulla formazione stellare”, ha detto Grodek. “Se riusciamo a capire la formazione delle stelle, allora possiamo capire la formazione delle galassie. Comprendendo la formazione delle galassie, possiamo capire di più di cosa è fatto l’universo. Capire da dove veniamo e come cadiamo nell’universo in ultima analisi, dipende dalla comprensione delle origini delle stelle “.

“Conoscere la massa di una stella ci dice della sua luminosità e anche dei tipi di reazioni nucleari che avvengono al suo interno”, ha detto Faucher Geiger. “In questo modo, possiamo imparare di più sugli elementi che sono fatti nelle stelle, come il carbonio e l’ossigeno, anche gli elementi di cui siamo fatti”.

Riferimento: “STARFORGE: Toward a Comprehensive Numerical Mode for Star Cluster Formation and Reactions” di Michael Y Grodek, David Gusgenov, Philip F Hopkins, Stella SR Offner e Claude-Andre Faucher-Geiger, 17 maggio 2021, Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / stab1347

Lo studio è stato sostenuto dalla National Science Foundation e NASA.