Tin tức Vũ trụ TV

Mô hình hóa các siêu tân tinh mờ nhạt của các ngôi sao đầu tiên không chứa kim loại

Ngày:
Th10 23, 2020
Tóm lược:

Nghiên cứu vật lý thiên văn tính toán lần đầu tiên mô hình hóa các siêu tân tinh mờ nhạt của các ngôi sao đầu tiên không chứa kim loại, tạo ra các mô hình phong phú được tăng cường carbon cho sự hình thành sao. Nghiên cứu đã khảo sát sự hình thành của những ngôi sao đầu tiên và nguồn gốc của các nguyên tố nặng hơn hydro, heli, lithium.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

'Khảo cổ học thiên hà' đề cập đến việc nghiên cứu các ngôi sao thế hệ thứ hai để tìm hiểu về các đặc điểm vật lý của các ngôi sao đầu tiên, chúng đã biến mất chỉ hàng chục triệu năm sau Vụ nổ lớn. Một nghiên cứu vật lý tính toán lần đầu tiên đã mô hình hóa các siêu tân tinh mờ nhạt của các ngôi sao đầu tiên không chứa kim loại, tạo ra các mô hình phong phú được tăng cường carbon cho sự hình thành sao. Một phần của mật độ, nhiệt độ và lượng carbon dồi dào cho một mô hình tiền thân khối lượng mặt trời 13 tại các thời điểm (trái-phải) 0,41, 15,22 và 29,16 triệu năm sau vụ nổ sao siêu mới trong một hộp có cạnh 2 kpc. Nhà cung cấp hình ảnh: Chiaki, et al.
‘Khảo cổ học thiên hà’ đề cập đến việc nghiên cứu các ngôi sao thế hệ thứ hai để tìm hiểu về các đặc điểm vật lý của các ngôi sao đầu tiên, chúng đã biến mất chỉ hàng chục triệu năm sau Vụ nổ lớn. Một nghiên cứu vật lý tính toán lần đầu tiên đã mô hình hóa các siêu tân tinh mờ nhạt của các ngôi sao đầu tiên không chứa kim loại, tạo ra các mô hình phong phú được tăng cường carbon cho sự hình thành sao. Một phần của mật độ, nhiệt độ và lượng carbon dồi dào cho một mô hình tiền thân khối lượng mặt trời 13 tại các thời điểm (trái-phải) 0,41, 15,22 và 29,16 triệu năm sau vụ nổ sao siêu mới trong một hộp có cạnh 2 kpc.
Nhà cung cấp hình ảnh: Chiaki, et al.

Chưa ai tìm thấy những ngôi sao đầu tiên.

Chúng được giả thuyết đã hình thành khoảng 100 triệu năm sau vụ nổ Big Bang ngoài bóng tối vũ trụ từ các khí nguyên thủy của hydro, heli và các kim loại nhẹ. Những khí này nguội đi, sụp đổ và bốc cháy thành những ngôi sao có khối lượng gấp 1.000 lần mặt trời của chúng ta. Ngôi sao càng lớn, chúng càng cháy nhanh. Những ngôi sao đầu tiên có lẽ chỉ sống được vài triệu năm, giảm so với tuổi của vũ trụ, vào khoảng 13,8 tỷ năm. Chúng dường như không bao giờ được quan sát, bị mất trong sương thời gian.

Khi những ngôi sao đầu tiên không có kim loại sụp đổ và phát nổ thành siêu tân tinh, chúng tạo ra các nguyên tố nặng hơn như carbon tạo mầm cho thế hệ sao tiếp theo. Một loại sao thứ hai này được gọi là sao nghèo kim loại được tăng cường carbon. Chúng giống như hóa thạch đối với các nhà vật lý thiên văn. Thành phần của chúng phản ánh quá trình tổng hợp hạt nhân, hay sự hợp nhất, của các nguyên tố nặng hơn từ những ngôi sao đầu tiên.

Gen Chiaki, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Trung tâm Vật lý Thiên văn Tương đối tính, Trường Vật lý, Georgia, cho biết: “Chúng tôi có thể lấy kết quả từ các phép đo gián tiếp để có được sự phân bố khối lượng của các ngôi sao không chứa kim loại từ sự phong phú về nguyên tố của các ngôi sao nghèo kim loại. Kỹ thuật.”

Chiaki là tác giả chính của một nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Thông báo Hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) vào tháng 9 năm 2020 . Nghiên cứu lần đầu tiên mô hình hóa các siêu tân tinh mờ nhạt của các ngôi sao đầu tiên không chứa kim loại, tạo ra các mô hình phong phú được tăng cường carbon thông qua sự trộn lẫn và dự phòng của các bit phóng ra.

Các mô phỏng của họ cũng cho thấy các hạt cacbon tạo ra sự phân mảnh của đám mây khí được tạo ra, dẫn đến hình thành các ngôi sao ‘giga-kim loại nghèo’ khối lượng thấp có thể tồn tại cho đến ngày nay và có thể được tìm thấy trong các quan sát trong tương lai.

“Chúng tôi nhận thấy rằng những ngôi sao này có hàm lượng sắt rất thấp so với những ngôi sao được tăng cường carbon quan sát được với lượng sắt dồi dào bằng một phần tỷ mặt trời. Tuy nhiên, chúng tôi có thể thấy sự phân mảnh của các đám mây khí. Điều này cho thấy rằng các ngôi sao khối lượng thấp hình thành trong một chế độ giàu sắt thấp. Những ngôi sao như vậy chưa từng được quan sát thấy. Nghiên cứu của chúng tôi cho chúng tôi cái nhìn sâu sắc về mặt lý thuyết về sự hình thành của những ngôi sao đầu tiên “, Chiaki nói.

Cuộc điều tra của Wise và Chiaki là một phần của lĩnh vực được gọi là ‘khảo cổ học thiên hà.’ Họ ví nó giống như việc tìm kiếm các hiện vật dưới lòng đất nói về tính cách của các xã hội đã tồn tại từ lâu. Đối với các nhà vật lý thiên văn, đặc điểm của những ngôi sao đã qua lâu đời có thể được tiết lộ từ những di tích hóa thạch của chúng.

“Chúng ta không thể nhìn thấy những thế hệ sao đầu tiên”, đồng tác giả nghiên cứu John Wise, phó giáo sư cũng tại Trung tâm Vật lý Thiên văn Tương đối tính, Trường Vật lý, Georgia Tech cho biết. “Do đó, điều quan trọng là phải thực sự xem xét những hóa thạch sống này từ vũ trụ sơ khai, bởi vì chúng có dấu vân tay của những ngôi sao đầu tiên trên khắp chúng thông qua các chất hóa học được tạo ra trong siêu tân tinh từ những ngôi sao đầu tiên.”

Chiaki cho biết: “Những ngôi sao cũ này có một số dấu vết của quá trình tổng hợp hạt nhân của các ngôi sao không chứa kim loại. Đó là một gợi ý để chúng tôi tìm kiếm cơ chế tổng hợp hạt nhân xảy ra trong vũ trụ sơ khai”.

“Đó là nơi các mô phỏng của chúng tôi phát huy tác dụng để xem điều này xảy ra. Sau khi chạy mô phỏng, bạn có thể xem một đoạn phim ngắn về nó để xem kim loại đến từ đâu và các ngôi sao đầu tiên và siêu tân tinh của chúng thực sự ảnh hưởng như thế nào đến những hóa thạch sống cho đến khi ngày nay, “Wise nói.

Đầu tiên, các nhà khoa học đã mô hình hóa sự hình thành của ngôi sao đầu tiên của họ, được gọi là sao Quần thể III hoặc Ngôi sao III, và chạy ba mô phỏng khác nhau tương ứng với khối lượng của nó lần lượt là 13,5, 50 và 80 lần khối lượng Mặt trời. Các mô phỏng đã được giải quyết cho quá trình truyền bức xạ trong chuỗi chính của nó và sau đó sau khi nó chết đi và trở thành siêu tân tinh. Bước cuối cùng là phát triển sự sụp đổ của đám mây phân tử do siêu tân tinh phun ra có liên quan đến mạng lưới hóa học gồm 100 phản ứng và 50 loài như carbon monoxide và nước.

Phần lớn các mô phỏng chạy trên cụm Georgia Tech PACE. Họ cũng được trao giải thưởng máy tính do Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) tài trợ bởi Môi trường Khám phá Kỹ thuật và Khoa học Cực đoan (XSEDE). Stampede2 tại Trung tâm Máy tính Nâng cao Texas (TACC) và Comet tại Trung tâm Siêu máy tính San Diego (SDSC) đã chạy một số mô phỏng truyền bức xạ chuỗi chính thông qua phân bổ XSEDE.

“Các hệ thống XSEDE Comet tại SDSC và Stampede2 tại TACC rất nhanh và có hệ thống lưu trữ lớn. Chúng rất thích hợp để thực hiện các mô phỏng số khổng lồ của chúng tôi”, Chiaki nói.

Wise nói: “Vì Stampede2 quá lớn nên dù phải chứa hàng nghìn nhà nghiên cứu, nó vẫn là một nguồn tài nguyên vô giá đối với chúng tôi. “Chúng tôi không thể chỉ chạy mô phỏng của mình trên các máy cục bộ tại Georgia Tech.”

Chiaki cho biết anh ấy cũng rất vui với việc xếp hàng nhanh trên Comet tại SDSC. “Trên Comet, tôi có thể chạy ngay các mô phỏng chỉ sau khi tôi nộp đơn xin việc.”

Wise đã sử dụng phân bổ hệ thống XSEDE trong hơn một thập kỷ, bắt đầu từ khi ông còn là một postdoc. “Tôi không thể thực hiện nghiên cứu của mình nếu không có XSEDE.”

XSEDE cũng cung cấp kiến ​​thức chuyên môn cho các nhà nghiên cứu để tận dụng tối đa khả năng phân bổ siêu máy tính của họ thông qua chương trình Dịch vụ hỗ trợ cộng tác mở rộng (ECSS). Wise nhớ lại việc sử dụng ECSS vài năm trước để cải thiện hiệu suất của mã mô phỏng sàng lọc lưới thích ứng Enzo mà ông vẫn sử dụng để giải quyết sự truyền bức xạ của bức xạ sao và sao siêu mới.

“Thông qua ECSS, tôi đã làm việc với Lars Koesterke tại TACC và tôi phát hiện ra rằng anh ấy từng làm việc trong lĩnh vực vật lý thiên văn. Anh ấy đã làm việc với tôi để cải thiện hiệu suất khoảng 50% của bộ giải vận chuyển bức xạ. Anh ấy đã giúp tôi lập hồ sơ mã để xác định chính xác Vòng lặp nào chiếm nhiều thời gian nhất và cách tăng tốc độ bằng cách sắp xếp lại một số vòng lặp. Tôi không nghĩ mình sẽ xác định được sự thay đổi đó nếu không có sự giúp đỡ của anh ấy “, Wise nói.

Wise cũng đã được trao giải thời gian trên hệ thống Frontera do NSF tài trợ của TACC, siêu máy tính học thuật nhanh nhất trên thế giới. “Chúng tôi vẫn chưa đạt được đầy đủ hơi nước trên Frontera. Nhưng chúng tôi mong muốn được sử dụng nó, vì đó thậm chí còn là một nguồn tài nguyên lớn hơn, có khả năng hơn.”

Wise nói thêm: “Tất cả chúng tôi đang làm việc trên thế hệ tiếp theo của Enzo. Chúng tôi gọi nó là Enzo-E, E cho exascale. Đây là bản viết lại hoàn toàn về Enzo của James Bordner, một nhà khoa học máy tính tại Trung tâm Siêu máy tính San Diego. Và nó có quy mô gần như hoàn hảo đến 256.000 lõi cho đến nay. Điều đó đã được chạy trên Blue Waters của NSF. Tôi nghĩ anh ấy đã chia tỷ lệ nó lên cùng một lượng trên Frontera, nhưng Frontera lớn hơn, vì vậy tôi muốn xem nó có thể đi được bao xa. “

Nhược điểm là vì mã này là mới, nó chưa có tất cả các vật lý mà chúng cần. Wise nói: “Chúng ta đi được khoảng 2/3 quãng đường tới đó.”

Anh ấy nói rằng anh ấy cũng hy vọng có được quyền truy cập vào hệ thống Expanse mới tại SDSC, hệ thống sẽ thay thế Comet sau khi nó ngừng hoạt động trong năm tới hoặc lâu hơn. Wise nói: “Expanse có gấp đôi số lõi tính toán trên mỗi nút so với bất kỳ tài nguyên XSEDE nào khác, điều này hy vọng sẽ tăng tốc độ mô phỏng của chúng tôi bằng cách giảm thời gian giao tiếp giữa các lõi”.

Theo Chiaki, các bước tiếp theo trong nghiên cứu là phân nhánh ngoài các đặc điểm carbon của các ngôi sao cổ đại. Ông nói: “Chúng tôi muốn mở rộng mối quan tâm của mình đến các loại sao khác và các nguyên tố chung với các mô phỏng lớn hơn.”

Mục đích của nghiên cứu này là để biết nguồn gốc của các nguyên tố, chẳng hạn như cacbon, oxy và canxi. Những nguyên tố này được tập trung thông qua các chu kỳ vật chất lặp đi lặp lại giữa môi trường giữa các vì sao và các ngôi sao. Cơ thể chúng ta và hành tinh của chúng ta được cấu tạo từ carbon và oxy, nitơ và canxi. Nghiên cứu của các nhà khoa học rất quan trọng để giúp hiểu nguồn gốc của những nguyên tố mà con người chúng ta được tạo ra.


Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Texas tại Trung tâm Máy tính Nâng cao Austin, Texas . Bản gốc do Jorge Salazar viết. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.


Tham khảo Tạp chí :

  1. Gen Chiaki, John H Wise, Stefania Marassi, Raffaella Schneider, Marco Limongi, Alessandro Chieffi. Gieo hạt ngôi sao thứ hai – II. Sự hình thành sao CEMP được làm giàu từ các siêu tân tinh mờ nhạt . Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia , năm 2020; 497 (3): 3149 DOI: 10.1093 / mnras / staa2144

Bài viết liên quan

Bài viết mới