"Arqueología galáctica" se refiere al estudio de estrellas de segunda generación para conocer las características físicas de las primeras estrellas, que desapareció sólo decenas de millones de años después del Big Bang. Un estudio de física computacional modeló por primera vez débiles supernovas de primeras estrellas libres de metales, produciendo patrones de abundancia mejorados de carbono para la formación de estrellas. Rebanada de densidad temperatura, y la abundancia de carbono para un modelo progenitor de 13 masas solares a veces (izquierda-derecha) 0.41, 15.22, y 29,16 millones de años después de la explosión de supernovas en una caja con un lado de 2 kpc. Crédito:Chiaki, et al.
Nadie ha encontrado aún las primeras estrellas.
Se supone que se formaron unos 100 millones de años después del Big Bang a partir de la oscuridad universal a partir de los gases primordiales de hidrógeno. helio, y rastrear metales ligeros. Estos gases se enfriaron colapsado, y se encendió en estrellas hasta 1, 000 veces más masivo que nuestro sol. Cuanto más grande es la estrella más rápido se queman. Las primeras estrellas probablemente solo vivieron unos pocos millones de años, una gota en el cubo de la edad del universo, alrededor de 13,8 mil millones de años. Es poco probable que alguna vez sean observados perdido en las brumas del tiempo.
Cuando las primeras estrellas libres de metales colapsaron y explotaron en supernovas, forjaron elementos más pesados como el carbono que sembró la próxima generación de estrellas. Un tipo de estas segundas estrellas se llama estrella pobre en metales mejorada en carbono. Son como fósiles para los astrofísicos. Su composición refleja la nucleosíntesis, o fusión, de elementos más pesados de las primeras estrellas.
"Podemos obtener resultados de mediciones indirectas para obtener la distribución de masa de estrellas sin metales a partir de las abundancias elementales de estrellas pobres en metales, "dijo el general Chiaki, investigador postdoctoral en el Centro de Astrofísica Relativista, Escuela de Física, Georgia Tech.
Chiaki es el autor principal de un estudio publicado en la edición de septiembre de 2020 de la Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society . El estudio modeló por primera vez débiles supernovas de primeras estrellas libres de metales, que produjo patrones de abundancia de carbono mejorados a través de la mezcla y el retroceso de los bits expulsados.
La animación muestra el proceso de enriquecimiento de carbono y hierro de la supernova de una estrella de primera generación de 50 masas solares. Los cuatro paneles muestran densidad, temperatura, abundancias de carbono y hierro. Primero, los metales se dispersan en la región ambiental de manera casi esférica ( <14 Myr después de la explosión). Luego, los metales se expanden en dirección horizontal, mientras que la expansión se detiene en dirección vertical. Finalmente, los metales vuelven a la región central nuevamente, donde se forma la próxima generación de estrellas. Crédito:Chiaki, et al.
Sus simulaciones también mostraron los granos carbonosos sembrando la fragmentación de la nube de gas producida, lo que lleva a la formación de estrellas de baja masa 'pobres en giga-metales' que pueden sobrevivir hasta el día de hoy y posiblemente ser encontradas en observaciones futuras.
"Encontramos que estas estrellas tienen un contenido de hierro muy bajo en comparación con las estrellas observadas con aumento de carbono con una milmillonésima parte de la abundancia solar de hierro. Sin embargo, podemos ver la fragmentación de las nubes de gas. Esto indica que las estrellas de baja masa se forman en un régimen de baja abundancia de hierro. Estas estrellas nunca se han observado todavía. Nuestro estudio nos da una visión teórica de la formación de las primeras estrellas, "Dijo Chiaki.
Las investigaciones de Wise y Chiaki son parte de un campo llamado 'arqueología galáctica'. Lo comparan con la búsqueda de artefactos subterráneos que hablan del carácter de sociedades desaparecidas hace mucho tiempo. Para los astrofísicos, el carácter de las estrellas desaparecidas puede revelarse a partir de sus restos fosilizados.
La animación muestra la burbuja caliente creada por la supernova simulada de 50 masas solares a una escala de mil años luz. En el centro, la densa nube de gas se vuelve a formar a través de la contracción gravitacional. La nube se puede reducir a varias unidades astronómicas. En la región muy central, los grupos densos son los embriones de estrellas. La animación muestra que las explosiones de supernovas pueden desencadenar la formación de estrellas mejoradas con carbono. Crédito:Chiaki, et al.
"No podemos ver las primeras generaciones de estrellas, "dijo el coautor del estudio, John Wise, profesor asociado también en el Centro de Astrofísica Relativista, Escuela de Física, Georgia Tech. "Por lo tanto, es importante mirar estos fósiles vivientes del universo temprano, porque tienen las huellas dactilares de las primeras estrellas por todas partes a través de los productos químicos que se produjeron en la supernova de las primeras estrellas ".
"Estas viejas estrellas tienen algunas huellas dactilares de la nucleosíntesis de estrellas libres de metales. Es una pista para que busquemos el mecanismo de nucleosíntesis que ocurre en el universo primitivo, "Dijo Chiaki.
"Ahí es donde entran en juego nuestras simulaciones para ver que esto sucede. Después de ejecutar la simulación, Puedes ver una pequeña película para ver de dónde vienen los metales y cómo las primeras estrellas y sus supernovas afectan realmente a estos fósiles que viven hasta el día de hoy. "Dijo Wise.
Los científicos modelaron por primera vez la formación de su primera estrella, llamada estrella de Población III o Pop III, y ejecutó tres simulaciones diferentes que correspondían a su masa en 13,5, 50, y 80 masas solares. Las simulaciones resolvieron la transferencia radiativa durante su secuencia principal y luego después de que muere y se convierte en supernova. El último paso fue evolucionar el colapso de la nube de moléculas arrojada por la supernova que involucró una red química de 100 reacciones y 50 especies como el monóxido de carbono y el agua.
Rebanada de densidad temperatura, y abundancia de carbono para un modelo progenitor con una masa Mpr =13 masas solares en el momento tSN =0.41 Myr (columna a), 15,22 Myr (columna b), y 29.16 Myr (columna c) después de la explosión de la supernova en una caja con un lado de 2 kpc centrado en el centroide del MH. Crédito:Chiaki, et al.
La mayoría de las simulaciones se realizaron en el clúster Georgia Tech PACE. También recibieron asignaciones de computación por parte de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), financiado por Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE). Stampede2 en el Texas Advanced Computing Center (TACC) y Comet en el San Diego Supercomputer Center (SDSC) ejecutaron algunas de las simulaciones de transferencia radiativa de secuencia principal a través de asignaciones XSEDE.
"Los sistemas XSEDE Comet en SDSC y Stampede2 en TACC son muy rápidos y tienen un gran sistema de almacenamiento. Fueron muy adecuados para realizar nuestras enormes simulaciones numéricas, "Dijo Chiaki.
"Debido a que Stampede2 es tan grande, aunque tiene que acomodar a miles de investigadores, sigue siendo un recurso invaluable para nosotros, ", Dijo Wise." No podemos simplemente ejecutar nuestras simulaciones en máquinas locales en Georgia Tech ".
Chiaki dijo que también estaba contento con las colas rápidas en Comet en SDSC. "En el cometa, Pude ejecutar las simulaciones inmediatamente después de enviar el trabajo, " él dijo.
NSF-funded XSEDE awarded scientists access to the Stampede2 supercomputer at the Texas Advanced Computing Center (left) and the Comet supercomputer at the San Diego Supercomputer Center (center). 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, él dijo, 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, " él dijo.
Said Chiaki:"The aim of this study is to know the origin of elements, such as carbon, oxígeno, 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, nitrógeno, and calcium. Our study is very important to help understand the origin of these elements that we human beings are made of."
