Ett team inklusive astrofysiker från Northwestern University har utvecklat den mest realistiska, 3D-simulering med högsta upplösning av stjärnbildning hittills. Resultatet är en visuellt imponerande, matematiskt driven underverk som låter tittarna sväva runt ett färgglatt gasmoln i 3D-rymden medan de ser blinkande stjärnor dyka upp.

Kallas STARFORGE (stjärnbildning i gasformiga miljöer), beräkningsramverket är det första som simulerar ett helt gasmoln – 100 gånger mer massivt än tidigare möjligt och fullt av livfulla färger – där stjärnor föds.

Det är också den första simuleringen som samtidigt modellerar stjärnbildning, evolution och dynamik samtidigt som man tar hänsyn till stjärnfeedback, inklusive jets, strålning, vind och närliggande supernovors aktivitet. Medan andra simuleringar har inkorporerat individuella typer av stjärnfeedback, STARFORGE sätter dem helt och hållet för att simulera hur dessa olika processer interagerar för att påverka stjärnbildningen.

Med hjälp av detta vackra virtuella laboratorium, forskarna strävar efter att utforska långvariga frågor, inklusive varför stjärnbildning är långsam och ineffektiv, vad bestämmer en stjärnas massa och varför stjärnor tenderar att bildas i hopar.

Forskarna har redan använt STARFORGE för att upptäcka att protostellära jetstrålar - höghastighetsströmmar av gas som följer med stjärnbildningen - spelar en viktig roll för att bestämma en stjärnas massa. Genom att beräkna en stjärnas exakta massa, forskare kan sedan fastställa dess ljusstyrka och interna mekanismer samt göra bättre förutsägelser om dess död.

Nyligen accepterad av Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society , en avancerad kopia av manuskriptet, beskriver forskningen bakom den nya modellen, dök upp online idag. Ett medföljande papper, som beskriver hur jetstrålar påverkar stjärnbildningen, publicerades i samma tidskrift i februari 2021.

"Människor har simulerat stjärnbildning i ett par decennier nu, men STARFORGE är ett kvantsteg inom teknik, " sa Northwesterns Michael Grudić, som var med och ledde arbetet. "Andra modeller har bara kunnat simulera en liten fläck av molnet där stjärnor bildas – inte hela molnet i hög upplösning. Utan att se helheten, vi missar många faktorer som kan påverka stjärnans resultat."

"Hur stjärnor bildas är mycket en central fråga inom astrofysik, " sa Northwesterns Claude-André Faucher-Giguère, en senior författare på studien. "Det har varit en mycket utmanande fråga att utforska på grund av mängden fysiska processer som är involverade. Den här nya simuleringen kommer att hjälpa oss att direkt ta itu med grundläggande frågor som vi inte kunde besvara definitivt tidigare."

Grudić är postdoktor vid Northwesterns Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Faucher-Giguère är docent i fysik och astronomi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences och medlem av CIERA. Grudić ledde arbetet tillsammans med Dávid Guszejnov, en postdoktor vid University of Texas i Austin.

Från början till slut, stjärnbildning tar tiotals miljoner år. Så även när astronomer observerar natthimlen för att få en glimt av processen, de kan bara se en kort ögonblicksbild.

"När vi observerar stjärnor som bildas i en viss region, allt vi ser är stjärnbildningsplatser frusna i tiden, " sa Grudić. "Stjärnor bildas också i moln av damm, så de är mest dolda."

För astrofysiker att se hela, dynamisk process av stjärnbildning, de måste förlita sig på simuleringar. För att utveckla STARFORGE, teamet inkorporerade beräkningskod för flera fenomen inom fysiken, inklusive gasdynamik, magnetiska fält, allvar, uppvärmning och kylning och stjärnåterkopplingsprocesser. Ibland tar det hela tre månader att köra en simulering, modellen kräver en av de största superdatorerna i världen, en anläggning som stöds av National Science Foundation och drivs av Texas Advanced Computing Center.

Den resulterande simuleringen visar en gasmassa - tiotals till miljoner gånger solens massa - som flyter i galaxen. När gasmolnet utvecklas, det bildar strukturer som kollapsar och går i bitar, som så småningom bildar individuella stjärnor. När stjärnorna väl bildats, de skickar ut gasstrålar från båda polerna, tränger igenom det omgivande molnet. Processen slutar när det inte finns någon gas kvar för att bilda fler stjärnor.

Häller flygbränsle på modellering

Redan, STARFORGE har hjälpt teamet att upptäcka en avgörande ny insikt om stjärnbildning. När forskarna körde simuleringen utan att ta hänsyn till jetplan, stjärnorna blev alldeles för stora — 10 gånger solens massa. Efter att ha lagt till jets till simuleringen, stjärnornas massor blev mycket mer realistiska – mindre än hälften av solens massa.

"Jets stör inflödet av gas mot stjärnan, " sa Grudić. "De blåser i huvudsak bort gas som skulle ha hamnat i stjärnan och ökat dess massa. Folk har misstänkt att detta kan hända, men, genom att simulera hela systemet, vi har en gedigen förståelse för hur det fungerar."

Förutom att förstå mer om stjärnor, Grudić och Faucher-Giguère tror att STARFORGE kan hjälpa oss att lära oss mer om universum och till och med oss ​​själva.

"Förståelse av galaxbildning beror på antaganden om stjärnbildning, " sa Grudić. "Om vi ​​kan förstå stjärnbildningen, då kan vi förstå galaxbildningen. Och genom att förstå galaxbildning, vi kan förstå mer om vad universum är gjort av. Att förstå var vi kommer ifrån och hur vi befinner oss i universum beror i slutändan på att förstå stjärnornas ursprung."

"Att känna till massan på en stjärna berättar för oss dess ljusstyrka och vilka typer av kärnreaktioner som sker inuti den, " sa Faucher-Giguère. "Med det, vi kan lära oss mer om de grundämnen som syntetiseras i stjärnor, som kol och syre - element som vi också är gjorda av."

Studien, "STARFORGE:Mot ett omfattande numeriskt läge för stjärnhopbildning och återkoppling, " fick stöd av National Science Foundation och NASA.