L'"archeologia galattica" si riferisce allo studio delle stelle di seconda generazione per conoscere le caratteristiche fisiche delle prime stelle, che scomparve solo decine di milioni di anni dopo il Big Bang. Uno studio di fisica computazionale ha modellato per la prima volta deboli supernovae di prime stelle prive di metalli, producendo modelli di abbondanza potenziati dal carbonio per la formazione stellare. Fetta di densità, temperatura, e abbondanza di carbonio per un modello progenitore di 13 masse solari a volte (sinistra-destra) 0,41, 15.22, e 29,16 milioni di anni dopo l'esplosione della supernova in una scatola con un lato di 2 kpc. Credito:Chiaki, et al.
Nessuno ha ancora trovato le prime stelle.
Si ipotizza che si siano formati circa 100 milioni di anni dopo il Big Bang dall'oscurità universale dai gas primordiali dell'idrogeno, elio, e tracciare metalli leggeri. Questi gas si sono raffreddati, crollato, e acceso in stelle fino a 1, 000 volte più massiccio del nostro sole. Più grande è la stella, più velocemente si esauriscono. Le prime stelle probabilmente vissero solo pochi milioni di anni, una goccia nel secchio dell'era dell'universo, a circa 13,8 miliardi di anni. È improbabile che vengano mai osservati, perso nella notte dei tempi.
Quando le prime stelle prive di metalli collassarono ed esplosero in supernovae, hanno forgiato elementi più pesanti come il carbonio che ha seminato la prossima generazione di stelle. Un tipo di queste seconde stelle è chiamata stella povera di metalli potenziata con carbonio. Sono come fossili per gli astrofisici. La loro composizione riflette la nucleosintesi, o fusione, di elementi più pesanti dalle prime stelle.
"Possiamo ottenere risultati da misurazioni indirette per ottenere la distribuzione di massa delle stelle prive di metalli dalle abbondanze elementari delle stelle povere di metalli, " disse Gen Chiaki, un ricercatore post-dottorato presso il Centro di Astrofisica Relativistica, Scuola di Fisica, Georgia Tech.
Chiaki è l'autore principale di uno studio pubblicato nel numero di settembre 2020 del Avvisi mensili della Royal Astronomical Society . Lo studio ha modellato per la prima volta deboli supernovae di prime stelle prive di metallo, che ha prodotto modelli di abbondanza potenziati dal carbonio attraverso la miscelazione e il fallback dei bit espulsi.
L'animazione mostra il processo di arricchimento di carbonio e ferro dalla supernova di una stella di prima generazione di 50 masse solari. I quattro pannelli mostrano densità, temperatura, abbondanza di carbonio e ferro. Primo, i metalli sono dispersi nella regione ambiente in modo quasi sferico ( <14 Myr dopo l'esplosione). Quindi, i metalli si espandono in direzione orizzontale, mentre l'espansione si ferma in direzione verticale. Infine, i metalli tornano di nuovo nella regione centrale, dove si forma la prossima generazione di stelle. Credito:Chiaki, et al.
Le loro simulazioni hanno anche mostrato i grani carboniosi che seminano la frammentazione della nube di gas prodotta, portando alla formazione di stelle "giga-metal-povere" di piccola massa che possono sopravvivere fino ai giorni nostri e possibilmente essere trovate in osservazioni future.
"Troviamo che queste stelle hanno un contenuto di ferro molto basso rispetto alle stelle potenziate con carbonio osservate con miliardesimi dell'abbondanza solare di ferro. Tuttavia, possiamo vedere la frammentazione delle nubi di gas. Ciò indica che le stelle di piccola massa si formano in un regime di bassa abbondanza di ferro. Tali stelle non sono mai state ancora osservate. Il nostro studio ci fornisce una visione teorica della formazione delle prime stelle, " disse Chiaki.
Le indagini di Wise e Chiaki fanno parte di un campo chiamato "archeologia galattica". Lo paragonano alla ricerca di manufatti sotterranei che raccontano il carattere di società ormai lontane. Per gli astrofisici, il carattere delle stelle scomparse può essere rivelato dai loro resti fossili.
L'animazione mostra la bolla calda creata dalla supernova simulata di 50 masse solari su una scala di mille anni luce. Al centro, la densa nube di gas si forma nuovamente per contrazione gravitazionale. La nuvola può essere ingrandita fino a diverse unità astronomiche. Nella regione molto centrale, i densi ciuffi sono gli embrioni delle stelle. L'animazione mostra che le esplosioni di supernova possono innescare la formazione di stelle potenziate dal carbonio. Credito:Chiaki, et al.
"Non possiamo vedere le primissime generazioni di stelle, ", ha affermato il coautore dello studio John Wise, professore associato anche presso il Centro di Astrofisica Relativistica, Scuola di Fisica, Georgia Tech. "Perciò, è importante guardare effettivamente questi fossili viventi dell'universo primordiale, perché hanno le impronte digitali delle prime stelle su di loro attraverso le sostanze chimiche che sono state prodotte nella supernova dalle prime stelle".
"Queste vecchie stelle hanno alcune impronte digitali della nucleosintesi delle stelle prive di metalli. È un suggerimento per noi di cercare il meccanismo della nucleosintesi che si verifica nell'universo primordiale, " disse Chiaki.
"È qui che entrano in gioco le nostre simulazioni per vedere ciò che accade. Dopo aver eseguito la simulazione, puoi guardare un breve filmato per vedere da dove vengono i metalli e come le prime stelle e le loro supernove influiscono effettivamente su questi fossili che vivono fino ai giorni nostri, "Disse saggio.
Gli scienziati hanno prima modellato la formazione della loro prima stella, chiamato una stella di Popolazione III o Pop III, e ha eseguito tre diverse simulazioni che corrispondevano alla sua massa a 13,5, 50, e 80 masse solari. Le simulazioni hanno risolto il trasferimento radiativo durante la sua sequenza principale e poi dopo che muore e diventa supernova. L'ultimo passo è stato quello di evolvere il collasso della nube di molecole espulse dalla supernova che ha coinvolto una rete chimica di 100 reazioni e 50 specie come monossido di carbonio e acqua.
Fetta di densità, temperatura, e abbondanza di carbonio per un modello progenitore con una massa Mpr =13 masse solari al momento tSN =0,41 Myr (colonna a), 15.22 Mio (colonna b), e 29.16 Myr (colonna c) dopo l'esplosione della supernova in una scatola con lato 2 kpc centrato sul baricentro del MH. Credito:Chiaki, et al.
La maggior parte delle simulazioni è stata eseguita sul cluster Georgia Tech PACE. Hanno anche ricevuto assegnazioni di computer dall'ambiente Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) finanziato dalla National Science Foundation (NSF). Stampede2 presso il Texas Advanced Computing Center (TACC) e Comet presso il San Diego Supercomputer Center (SDSC) hanno eseguito alcune delle principali simulazioni di trasferimento radiativo della sequenza tramite allocazioni XSEDE.
"I sistemi XSEDE Comet presso SDSC e Stampede2 presso TACC sono molto veloci e dispongono di un ampio sistema di archiviazione. Erano molto adatti per condurre le nostre enormi simulazioni numeriche, " disse Chiaki.
"Poiché Stampede2 è così grande, anche se deve ospitare migliaia di ricercatori, è ancora una risorsa inestimabile per noi, " Wise ha detto. "Non possiamo semplicemente eseguire le nostre simulazioni su macchine locali alla Georgia Tech."
Chiaki si è detto soddisfatto anche delle code veloci su Comet all'SDSC. "Sulla cometa, Potrei eseguire immediatamente le simulazioni subito dopo aver inviato il lavoro, " Egli ha detto.
XSEDE, finanziato dalla NSF, ha concesso agli scienziati l'accesso al supercomputer Stampede2 presso il Texas Advanced Computing Center (a sinistra) e al supercomputer Comet presso il San Diego Supercomputer Center (al centro). The authors utilized the Georgia Tech PACE Hive cluster (right. Credit:University of Texas at Austin
Wise has been using XSEDE system allocations for over a decade, starting when he was a postdoc. "I couldn't have done my research without XSEDE."
XSEDE also provided expertise for the researchers to take full advantage of their supercomputer allocations through the Extended Collaborative Support Services (ECSS) program. Wise recalled using ECSS several years ago to improve the performance of the Enzo adaptive mesh refinement simulation code he still uses to solve the radiative transfer of stellar radiation and supernovae.
"Through ECSS, I worked with Lars Koesterke at TACC, and I found out that he used to work in astrophysics. He worked with me to improve the performance by about 50 percent of the radiation transport solver. He helped me profile the code to pinpoint which loops were taking the most time, and how to speed it up by reordering some loops. I don't think I would have identified that change without his help, " Wise said.
Wise has also been awarded time on TACC's NSF-funded Frontera system, the fastest academic supercomputer in the world. "We haven't gotten to full steam yet on Frontera. But we're looking forward to using it, because that's even a larger, more capable resource."
Wise added:"We're all working on the next generation of Enzo. We call it Enzo-E, E for exascale. This is a total re-write of Enzo by James Bordner, a computer scientist at the San Diego Supercomputer Center. And it scales almost perfectly to 256, 000 cores so far. That was run on NSF's Blue Waters. I think he scaled it to the same amount on Frontera, but Frontera is bigger, so I want to see how far it can go."
Il lato negativo, Egli ha detto, is that since the code is new, it doesn't have all the physics they need yet. "We're about two-thirds of the way there, " Wise said.
He said that he's also hoping to get access to the new Expanse system at SDSC, which will supersede Comet after it retires in the next year or so. "Expanse has over double the compute cores per node than any other XSEDE resource, which will hopefully speed up our simulations by reducing the communication time between cores, " Wise said.
According to Chiaki, the next steps in the research are to branch out beyond the carbon features of ancient stars. "We want to enlarge our interest to the other types of stars and the general elements with larger simulations, " Egli ha detto.
Said Chiaki:"The aim of this study is to know the origin of elements, such as carbon, ossigeno, and calcium. These elements are concentrated through the repetitive matter cycles between the interstellar medium and stars. Our bodies and our planet are made of carbon and oxygen, azoto, and calcium. Our study is very important to help understand the origin of these elements that we human beings are made of."
