"Galaktisk arkeologi" hänvisar till studiet av andra generationens stjärnor för att lära sig om de fysiska egenskaperna hos de första stjärnorna, som försvann bara tiotals miljoner år efter Big Bang. En beräkningsfysikstudie modellerade för första gången svaga supernovor av metallfria första stjärnor, ger kolförbättrade överflödsmönster för stjärnbildning. Skiva av densitet, temperatur, och kolöverflöd för en 13 solmassfadermodell ibland (vänster-höger) 0,41, 15.22, och 29,16 miljoner år efter supernovaexplosionen i en låda med en sida 2 kpc. Kredit:Chiaki, et al.
Ingen har ännu hittat de första stjärnorna.
De antas ha bildats cirka 100 miljoner år efter Big Bang ur universellt mörker från de ursprungliga gaserna av väte, helium, och spåra lättmetaller. Dessa gaser kyldes, kollapsade, och antändes till stjärnor upp till 1, 000 gånger mer massiv än vår sol. Ju större stjärnan, desto snabbare brinner de ut. De första stjärnorna levde förmodligen bara några miljoner år, en droppe i hinken av universums tidsålder, vid cirka 13,8 miljarder år. Det är osannolikt att de någonsin kommer att observeras, förlorade i tidens dimmor.
När de metallfria första stjärnorna kollapsade och exploderade till supernovor, de smidde tyngre grundämnen som kol som sådde nästa generation av stjärnor. En typ av dessa andra stjärnor kallas en kolförstärkt metallfattig stjärna. De är som fossiler för astrofysiker. Deras sammansättning återspeglar nukleosyntesen, eller fusion, av tyngre grundämnen från de första stjärnorna.
"Vi kan få resultat från indirekta mätningar för att få massfördelningen av metallfria stjärnor från elementära överflöd av metallfattiga stjärnor, sade Gen Chiaki, en postdoktor vid Centrum för relativistisk astrofysik, Skolan för fysik, Georgia Tech.
Chiaki är huvudförfattare till en studie som publicerades i septembernumret 2020 av Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society . Studien modellerade för första gången svaga supernovor av metallfria första stjärnor, vilket gav kolförbättrade överflödsmönster genom blandning och fallback av de utstötta bitarna.
Animation visar anrikningsprocessen av kol och järn från supernovan av en första generationens stjärna med 50 solmassor. De fyra panelerna visar densitet, temperatur, överflöd av kol och järn. Först, metaller sprids i det omgivande området på ett nästan sfäriskt sätt ( <14 Myr efter explosionen). Sedan, metallerna expanderar i horisontell riktning, medan expansionen stannar i vertikal riktning. Så småningom, metallerna återvänder till den centrala regionen igen, där nästa generation av stjärnor bildas. Kredit:Chiaki, et al.
Deras simuleringar visade också de kolhaltiga kornen som sådde fragmenteringen av gasmolnet som producerades, leder till bildandet av "giga-metallfattiga" stjärnor med låg massa som kan överleva till idag och eventuellt hittas i framtida observationer.
"Vi finner att dessa stjärnor har mycket lågt järninnehåll jämfört med de observerade kolförstärkta stjärnorna med miljarddelar av solens överflöd av järn. Men, vi kan se fragmenteringen av gasmolnen. Detta indikerar att stjärnorna med låg massa bildas i en regim med låg järnmängd. Sådana stjärnor har aldrig observerats ännu. Vår studie ger oss teoretisk insikt om bildandet av första stjärnor, " sa Chiaki.
Undersökningarna av Wise och Chiaki är en del av ett fält som kallas "galaktisk arkeologi." De liknar det med att leta efter artefakter under jorden som berättar om karaktären hos samhällen som sedan länge är borta. Till astrofysiker, karaktären av länge borta stjärnor kan avslöjas från deras fossiliserade lämningar.
Animation visar den heta bubblan som skapas av den simulerade supernovan med 50 solmassor i en skala av tusen ljusår. I mitten, det täta gasmolnet bildas igen genom gravitationssammandragning. Molnet kan zoomas in till flera astronomiska enheter. I den mycket centrala regionen, de täta klumparna är embryon av stjärnor. Animationer visar att supernovaexplosioner kan utlösa bildandet av kolförbättrade stjärnor. Kredit:Chiaki, et al.
"Vi kan inte se de allra första generationerna av stjärnor, " sa studiens medförfattare John Wise, en docent också vid Centrum för Relativistisk Astrofysik, Skolan för fysik, Georgia Tech. "Därför, det är viktigt att faktiskt titta på dessa levande fossiler från det tidiga universum, eftersom de har fingeravtrycken från de första stjärnorna över sig genom kemikalierna som producerades i supernovan från de första stjärnorna."
"Dessa gamla stjärnor har några fingeravtryck av nukleosyntesen av metallfria stjärnor. Det är ett tips för oss att söka nukleosyntesmekanismen som händer i det tidiga universum, " sa Chiaki.
"Det är där våra simuleringar kommer in i bilden för att se detta hända. När du kört simuleringen, du kan se en kort film om det för att se var metallerna kommer ifrån och hur de första stjärnorna och deras supernovor faktiskt påverkar dessa fossiler som lever fram till idag, " sa Wise.
Forskarna modellerade först bildandet av deras första stjärna, kallas en Population III eller Pop III-stjärna, och körde tre olika simuleringar som motsvarade dess massa vid 13,5, 50, och 80 solmassor. Simuleringarna löste strålningsöverföringen under dess huvudsekvens och sedan efter att den dör och går supernova. Det sista steget var att utveckla kollapsen av molnet av molekyler som spyddes ut av supernovan som involverade ett kemiskt nätverk av 100 reaktioner och 50 arter som kolmonoxid och vatten.
Skiva av densitet, temperatur, och kolförekomst för en progenitormodell med massan Mpr =13 solmassor vid tiden tSN =0,41 Myr (kolumn a), 15.22 Myr (kolumn b), och 29.16 Myr (kolumn c) efter supernovaexplosionen i en låda med en sida på 2 kpc centrerad på MH:ns tyngdpunkt. Kredit:Chiaki, et al.
Majoriteten av simuleringarna kördes på Georgia Tech PACE-klustret. De tilldelades också datortilldelningar av National Science Foundation (NSF)-finansierade Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE). Stampede2 vid Texas Advanced Computing Center (TACC) och Comet vid San Diego Supercomputer Center (SDSC) körde några av huvudsekvensen av strålningsöverföringssimuleringarna genom XSEDE-tilldelningar.
"XSEDE-systemen Comet på SDSC och Stampede2 på TACC är mycket snabba och har ett stort lagringssystem. De var mycket lämpliga för att genomföra våra enorma numeriska simuleringar, " sa Chiaki.
"Eftersom Stampede2 bara är så stor, även om det måste rymma tusentals forskare, det är fortfarande en ovärderlig resurs för oss, "Vi kan inte bara köra våra simuleringar på lokala maskiner på Georgia Tech."
Chiaki sa att han också var nöjd med de snabba köerna på Comet på SDSC. "På Comet, Jag kunde omedelbart köra simuleringarna precis efter att jag skickat in jobbet, " han sa.
NSF-finansierade XSEDE gav forskare tillgång till superdatorn Stampede2 vid Texas Advanced Computing Center (vänster) och Comet superdator vid San Diego Supercomputer Center (mitten). 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."
The downside, han sa, 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, " han sa.
Said Chiaki:"The aim of this study is to know the origin of elements, such as carbon, syre, 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, kväve, and calcium. Our study is very important to help understand the origin of these elements that we human beings are made of."
