Un team di astrofisici della Northwestern University ha sviluppato il più realistico, simulazione 3D ad alta risoluzione della formazione stellare fino ad oggi. Il risultato è visivamente sbalorditivo, meraviglia guidata dalla matematica che consente agli spettatori di fluttuare intorno a una nuvola di gas colorata nello spazio 3D mentre osservano l'emergere di stelle scintillanti.

Chiamato STARFORGE (Formazione stellare in ambienti gassosi), il framework computazionale è il primo a simulare un'intera nube di gas, 100 volte più massiccia di quanto fosse possibile in precedenza e piena di colori vivaci, dove nascono le stelle.

È anche la prima simulazione a modellare simultaneamente la formazione stellare, evoluzione e dinamica tenendo conto del feedback stellare, compresi i getti, radiazione, attività del vento e delle supernove vicine. Mentre altre simulazioni hanno incorporato singoli tipi di feedback stellare, STARFORGE li mette insieme per simulare come questi vari processi interagiscono per influenzare la formazione stellare.

Utilizzando questo bellissimo laboratorio virtuale, i ricercatori mirano a esplorare questioni di vecchia data, compreso il motivo per cui la formazione stellare è lenta e inefficiente, 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 protostellari, 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.

Recentemente accettato dal Avvisi mensili della Royal Astronomical Society , una copia avanzata del manoscritto, dettagliando la ricerca dietro il nuovo modello, apparso in rete oggi. Un documento di accompagnamento, descrivendo come i getti influenzano la formazione stellare, è stato pubblicato sulla stessa rivista nel febbraio 2021.

"Sono ormai un paio di decenni che le persone simulano la formazione stellare, ma STARFORGE è un salto di qualità nella tecnologia, " ha detto Michael Grudić della Northwestern, che ha co-diretto l'opera. "Altri modelli sono stati in grado di simulare solo una piccola parte della nuvola dove si formano le stelle, non l'intera nuvola in alta risoluzione. Senza vedere il quadro generale, ci mancano molti fattori che potrebbero influenzare l'esito della star".

"Il modo in cui si formano le stelle è una questione centrale in astrofisica, " ha detto Claude-André Faucher-Giguère di Northwestern, un autore senior dello studio. "È stata una domanda molto impegnativa da esplorare a causa della gamma di processi fisici coinvolti. Questa nuova simulazione ci aiuterà ad affrontare direttamente domande fondamentali a cui non potevamo rispondere in modo definitivo prima".

Grudić è un borsista post-dottorato presso il Centro per l'esplorazione interdisciplinare e la ricerca in astrofisica (CIERA) della Northwestern. Faucher-Giguère è professore associato di fisica e astronomia al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern e membro del CIERA. Grudić ha co-diretto il lavoro con Dávid Guszejnov, un borsista post-dottorato presso l'Università del Texas ad Austin.

Dall'inizio alla fine, la formazione stellare richiede decine di milioni di anni. Quindi, anche se gli astronomi osservano il cielo notturno per intravedere il processo, possono visualizzare solo una breve istantanea.

"Quando osserviamo le stelle che si formano in una data regione, tutto ciò che vediamo sono siti di formazione stellare congelati nel tempo, "Grudić ha detto. "Le stelle si formano anche in nuvole di polvere, quindi sono per lo più nascosti."

Per gli astrofisici per visualizzare l'intero, processo dinamico di formazione stellare, devono fare affidamento su simulazioni. Per sviluppare STARFORGE, il team ha incorporato il codice computazionale per più fenomeni in fisica, compresa la dinamica del gas, campi magnetici, gravità, riscaldamento e raffreddamento e processi di feedback stellare. A volte ci vogliono tre mesi interi per eseguire una simulazione, il modello richiede uno dei più grandi supercomputer del mondo, una struttura supportata dalla National Science Foundation e gestita dal Texas Advanced Computing Center.

La simulazione risultante mostra una massa di gas, da decine a milioni di volte la massa del sole, che fluttua nella galassia. Man mano che la nuvola di gas si evolve, forma strutture che crollano e si frantumano, che alla fine formano singole stelle. Una volta formate le stelle, lanciano getti di gas verso l'esterno da entrambi i poli, perforando la nuvola circostante. Il processo termina quando non c'è più gas per formare più stelle.

Versare carburante per jet sulla modellazione

Già, STARFORGE ha aiutato il team a scoprire una nuova visione cruciale della formazione stellare. Quando i ricercatori hanno eseguito la simulazione senza tenere conto dei jet, le stelle sono diventate troppo grandi, 10 volte la massa del sole. Dopo aver aggiunto i getti alla simulazione, le masse delle stelle divennero molto più realistiche, meno della metà della massa del sole.

"I getti interrompono l'afflusso di gas verso la stella, " Grudić ha detto. "Essi essenzialmente soffiano via il gas che sarebbe finito nella stella e ne hanno aumentato la massa. La gente ha sospettato che questo potesse accadere, ma, simulando l'intero sistema, abbiamo una solida comprensione di come funziona."

Oltre a capire di più sulle stelle, Grudić e Faucher-Giguère credono che STARFORGE possa aiutarci a conoscere meglio l'universo e persino noi stessi.

"La comprensione della formazione delle galassie dipende da ipotesi sulla formazione delle stelle, " Grudić ha detto. "Se possiamo capire la formazione stellare, allora possiamo capire la formazione delle galassie. E comprendendo la formazione delle galassie, possiamo capire di più di cosa è fatto l'universo. Capire da dove veniamo e come siamo situati nell'universo dipende in ultima analisi dalla comprensione delle origini delle stelle".

"Conoscere la massa di una stella ci dice la sua luminosità e che tipo di reazioni nucleari stanno accadendo al suo interno, " Disse Faucher-Giguère. "Con questo, possiamo saperne di più sugli elementi che sono sintetizzati nelle stelle, come il carbonio e l'ossigeno, elementi di cui siamo fatti anche noi."

Lo studio, "STARFORGE:Verso una modalità numerica completa di formazione e feedback degli ammassi stellari, " è stato sostenuto dalla National Science Foundation e dalla NASA.