Simulasi kelahiran bintang yang menakjubkan adalah yang paling realistis yang pernah ada

Model resolusi tinggi pertama yang menyimulasikan seluruh awan gas tempat lahirnya bintang.

Termasuk tim Universitas Northwestern Ahli astrofisika telah mengembangkan simulasi pembentukan bintang 3D paling realistis dengan resolusi tertinggi hingga saat ini. Hasilnya adalah keajaiban yang menakjubkan secara visual dan digerakkan secara matematis yang memungkinkan pemirsa melayang di sekitar awan gas berwarna-warni dalam ruang 3D sementara bintang yang berkelap-kelip muncul.

Kerangka kerja komputer yang dikenal sebagai STARFORGE (pembentukan bintang di lingkungan gas) adalah yang pertama yang mensimulasikan seluruh awan gas – 100 kali lebih besar dari sebelumnya dan penuh warna cerah – tempat lahirnya bintang.

Ini juga merupakan simulasi pertama yang secara bersamaan memodelkan pembentukan, evolusi, dan dinamika bintang, dengan mempertimbangkan umpan balik bintang, termasuk jet, radiasi, angin, dan aktivitas supernova di dekatnya. Sementara simulasi lain mencakup jenis umpan balik bintang individual, STARFORGE mensimulasikannya secara keseluruhan untuk mensimulasikan bagaimana berbagai proses ini berinteraksi untuk mempengaruhi pembentukan bintang.

Dengan bantuan laboratorium virtual yang indah ini, para peneliti bertujuan untuk menyelidiki pertanyaan lama, termasuk mengapa pembentukan bintang lambat dan tidak efisien, apa yang menentukan massa bintang, dan mengapa bintang terbentuk dalam kelompok.

Para peneliti telah menggunakan STARFORGE untuk mengetahui bahwa jet protostellar – aliran gas berkecepatan tinggi yang menyertai pembentukan bintang – memainkan peran penting dalam menentukan massa sebuah bintang. Dengan menghitung massa yang tepat dari sebuah bintang, para peneliti kemudian dapat menentukan kecerahan dan mekanisme internalnya, serta membuat prediksi yang lebih baik tentang kematiannya.

Salinan manuskrip yang diperluas yang merinci penelitian di balik model baru itu diposting online pada 17 Mei 2021. Makalah yang menyertaiDeskripsi tentang pengaruh jet terhadap pembentukan bintang dipublikasikan di jurnal yang sama pada Februari 2021.

“Manusia telah mensimulasikan pembentukan bintang selama beberapa dekade, tetapi STARFORGE adalah lompatan kuantum dalam teknologi,” kata Michael Grudic dari Northwest, yang membantu memimpin pekerjaan tersebut. “Model lain hanya dapat mensimulasikan sebagian kecil dari awan tempat bintang-bintang terbentuk – bukan seluruh awan dalam resolusi tinggi. Tanpa melihat gambaran besarnya, kita kehilangan banyak faktor yang dapat memengaruhi hasil akhir bintang. “

“Bagaimana bentuk bintang adalah pertanyaan kunci dalam astrofisika,” kata Claude-André Faucher-Giguère Barat Laut, penulis senior studi tersebut. “Karena banyaknya proses fisik yang terlibat, itu adalah pertanyaan yang sangat menantang untuk diselidiki. Simulasi baru ini akan membantu kami menjawab secara langsung pertanyaan mendasar yang sebelumnya tidak dapat kami jawab dengan pasti. “

Foto dari simulasi STARFORGE. Sebuah inti gas yang berputar runtuh, membentuk sebuah bintang pusat yang menembakkan sinar bipolar di sepanjang kutubnya saat ia memberi makan gas dari piringan sekitarnya. Sinar mengarahkan gas menjauh dari inti dan membatasi jumlah yang pada akhirnya dapat terakumulasi oleh bintang. Kredit foto: Universitas Northwestern / UT Austin

Grudic adalah rekan postdoctoral di Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Faucher-Giguère adalah Associate Professor of Physics and Astronomy di Weinberg College of Arts and Sciences di barat laut dan anggota CIERA. Grudic memimpin pekerjaan dengan Dávid Guszejnov, seorang rekan postdoctoral di University of Texas di Austin.

Pembentukan bintang membutuhkan waktu puluhan juta tahun dari awal hingga akhir. Bahkan ketika para astronom mengamati langit malam untuk melihat sekilas prosesnya, mereka hanya dapat melihat cuplikan singkat.

“Saat kami mengamati bagaimana bintang terbentuk di wilayah tertentu, kami hanya melihat lokasi pembentukan bintang yang membeku dalam waktu,” kata Grudic. “Bintang juga terbentuk di awan debu, jadi sebagian besar tersembunyi.”

Agar astrofisikawan dapat melihat proses pembentukan bintang secara penuh dan dinamis, mereka harus mengandalkan simulasi. Untuk mengembangkan STARFORGE, tim mengintegrasikan kode komputasi untuk berbagai fenomena dalam fisika, termasuk dinamika gas, medan magnet, gravitasi, pemanasan dan pendinginan, serta proses umpan balik bintang. Terkadang dibutuhkan waktu tiga bulan penuh untuk menjalankan simulasi. Model tersebut membutuhkan salah satu superkomputer terbesar di dunia, sebuah fasilitas yang didukung oleh National Science Foundation dan dioperasikan oleh Texas Advanced Computing Center.

Simulasi yang dihasilkan menunjukkan massa gas – sepuluh hingga satu juta kali massa matahari – mengambang di galaksi. Saat awan gas berevolusi, ia membentuk struktur yang runtuh dan pecah berkeping-keping yang akhirnya membentuk bintang individu. Segera setelah bintang-bintang terbentuk, semburan gas keluar dari kedua kutub dan menembus awan di sekitarnya. Prosesnya berakhir ketika tidak ada lagi gas untuk membentuk lebih banyak bintang.

Menuangkan bahan bakar jet ke pemodelan

STARFORGE telah membantu tim mendapatkan wawasan baru yang menentukan tentang formasi bintang. Ketika para peneliti menjalankan simulasi tanpa mempertimbangkan jet, bintang-bintang itu terlalu besar – sepuluh kali massa matahari. Setelah menambahkan jet ke simulasi, massa bintang menjadi jauh lebih realistis – kurang dari setengah massa Matahari.

“Jet mengganggu aliran gas ke bintang,” kata Grudic. “Mereka pada dasarnya menghembuskan gas yang akan mendarat di bintang dan meningkatkan massanya. Orang-orang menduga ini bisa terjadi, tetapi dengan mensimulasikan seluruh sistem, kami memiliki pemahaman yang kuat tentang cara kerjanya. “

Cuplikan dari simulasi STARFORGE penuh pertama. Dijuluki “Landasan Penciptaan”, awan molekul besar dengan formasi bintang individu dan umpan balik ekstensif, termasuk jet protobintang, radiasi, angin bintang, dan supernova keruntuhan inti. Kredit foto: Universitas Northwestern / UT Austin

Grudic dan Faucher-Giguère tidak hanya memahami lebih banyak tentang bintang, mereka juga percaya bahwa STARFORGE dapat membantu kita mempelajari lebih lanjut tentang alam semesta dan bahkan tentang diri kita sendiri.

“Pengertian pembentukan galaksi bergantung pada asumsi tentang pembentukan bintang,” kata Grudic. “Jika kita bisa memahami pembentukan bintang, kita bisa memahami pembentukan galaksi. Dan jika kita memahami bagaimana galaksi terbentuk, kita dapat lebih memahami dari apa alam semesta dibuat. Pada akhirnya, untuk memahami dari mana kita berasal dan bagaimana kita berada di alam semesta, kita harus memahami asal-usul bintang. “

“Jika kita mengetahui massa sebuah bintang, kita tahu seberapa terang bintang itu dan jenis reaksi nuklir apa yang terjadi di dalamnya,” kata Faucher-Giguère. “Dengan itu kita bisa belajar lebih banyak tentang unsur-unsur yang disintesis dalam bintang, seperti karbon dan oksigen – unsur-unsur yang juga kita buat.”

Referensi: “STARFORGE: Menuju Mode Numerik Komprehensif Formasi dan Umpan Balik Gugus Bintang” oleh Michael Y. Grudic, Dávid Guszejnov, Philip F. Hopkins, Stella SR Offner dan Claude-André Faucher-Giguére, 17 Mei 2021, Pemberitahuan bulanan dari Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / stab1347

Studi ini didukung oleh National Science Foundation dan NASA.