Crédito: CC0 Public Domain
Un equipo de astrofísicos de la Universidad Northwestern ha desarrollado la simulación en 3D más realista de la formación de estrellas con la resolución más alta hasta la fecha. El resultado es una maravilla matemática visualmente impactante que permite a los espectadores flotar alrededor de una colorida nube de gas en el espacio 3D mientras observan estrellas titilantes.
Se llama STARFORGE (Formación de estrellas en entornos gaseosos), la estructura computacional es la primera en simular una nube completa de gas, 100 veces más masiva de lo que era posible anteriormente y llena de colores vivos, en la que nacen las estrellas.
También es la primera simulación que modela simultáneamente la formación, la evolución y la dinámica de las estrellas, teniendo en cuenta las retroalimentaciones estelares, incluidos los chorros, la radiación, el viento y la actividad de las supernovas cercanas. Mientras que otras simulaciones han cubierto tipos particulares de retroalimentación estelar, STARFORGE los junta para simular cómo estos diferentes procesos afectan la formación estelar.
Con este hermoso laboratorio virtual, los científicos buscan explorar preguntas de larga data, como por qué la formación de estrellas es lenta e ineficaz, qué determina la masa de una estrella y por qué las estrellas tienden a formar cúmulos.
Los científicos ya se han beneficiado STARFORGE descubra que los chorros de protoestrellas, los rápidos chorros de gas que acompañan a la formación de estrellas, juegan un papel importante en la determinación de la masa de una estrella. Al calcular la masa exacta de la estrella, los científicos pueden determinar su brillo y mecanismos internos, y predecir mejor su muerte.
Recién aprobado por Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society, una copia avanzada del manuscrito que detalla la investigación sobre el nuevo modelo está ahora disponible en Internet. Un artículo adjunto que describe los efectos de los chorros en la formación de estrellas se publicó en la misma revista en febrero de 2021.
“Los seres humanos han estado simulando la formación de estrellas durante varias décadas, pero STARFORGE es un hito tecnológico”, dijo Michael Grudić de Northwestern, quien codirigió el trabajo. “Otros modelos solo han podido simular una pequeña porción de la nube donde se están formando las estrellas, no una nube completa de alta resolución. Sin ver el panorama general, pasamos por alto muchos factores que podrían influir en la puntuación de la estrella “.
“Cómo se forman las estrellas es una cuestión central en astrofísica”, dijo el autor principal de la investigación, Claude-André Faucher-Giguère, de Northwestern. “Fue una pregunta muy difícil debido a la variedad de procesos físicos. Esta nueva simulación nos ayudará a responder directamente preguntas básicas que antes no podíamos responder “.
Grudić es profesor asistente en el Centro Northwestern de Investigación e Investigación Interdisciplinaria e Investigación en Astrofísica (CIERA). Faucher-Giguère es profesor asociado de física y astronomía en el Weinberg College of Arts and Sciences en Northwestern y miembro de CIERA. Grudić codirigió el trabajo con Dávid Guszejnov, un becario postdoctoral en la Universidad de Texas en Austin.
La formación de estrellas lleva decenas de millones de años de principio a fin. Entonces, incluso cuando los astrónomos observan el cielo nocturno para ver el proceso, solo pueden ver una breve instantánea.
“Cuando observamos la formación de estrellas en cualquier región, solo vemos ubicaciones de formación de estrellas congeladas en el tiempo”, dijo Grudić. “Las estrellas también se forman en nubes de polvo, por lo que la mayoría de ellas están ocultas”.
Para que los astrofísicos vean el proceso dinámico completo de formación estelar, deben confiar en las simulaciones. Para desarrollar STARFORGE, el equipo incorporó código computacional en muchos fenómenos físicos, incluida la dinámica de los gases, los campos magnéticos, la gravedad, el calentamiento y enfriamiento y los procesos de retroalimentación de estrellas. A veces se necesitan tres meses completos para completar una simulación, el modelo requiere una de las supercomputadoras más grandes del mundo, una instalación respaldada por la National Science Foundation y operada por el Texas Advanced Computing Center.
La simulación resultante muestra una masa de gas (decenas a millones de masas solares) flotando en la galaxia. A medida que la nube de gas evoluciona, crea estructuras que colapsan y se rompen en pedazos que eventualmente forman estrellas individuales. Una vez que se forman las estrellas, lanzan chorros de gas hacia afuera desde ambos polos, perforando la nube circundante. El proceso termina cuando no hay más gas para la formación de estrellas.
Verter combustible de aviación para modelar
STARFORGE ya ha ayudado al equipo a descubrir una nueva perspectiva clave sobre la formación de estrellas. Cuando los científicos simularon sin chorros, las estrellas resultaron ser demasiado grandes, diez veces el tamaño del sol. Cuando se agregaron los chorros a la simulación, las masas de las estrellas se volvieron mucho más realistas: menos de la mitad de la masa del Sol.
“Los chorros están interrumpiendo el flujo de gas hacia la estrella”, dijo Grudic. “Básicamente, estaban soplando gas que terminaría en una estrella y aumentaría su masa. La gente sospechaba que esto podría estar sucediendo, pero al simular todo el sistema, tenemos una sólida comprensión de cómo funciona “.
Además de comprender mejor las estrellas, Grudić y Faucher-Giguère creen que STARFORGE puede ayudarnos a aprender más sobre el universo e incluso sobre nosotros mismos.
“Comprender la formación de galaxias depende de suposiciones sobre la formación de estrellas”, dijo Grudić. “Si podemos entender la formación de estrellas, entonces podemos entender la formación de galaxias. Y al comprender la formación de las galaxias, podemos aprender más sobre de qué está hecho el universo. Comprender de dónde venimos y cómo estamos en el universo depende en última instancia de comprender los orígenes de las estrellas.
“Conocer la masa de una estrella nos dice qué tan brillante es, así como qué tipo de reacciones nucleares tienen lugar en su interior”, dijo Faucher-Giguère. “Esto nos permite aprender más sobre los elementos que se sintetizan en las estrellas, como el carbono y el oxígeno, los elementos de los que también estamos hechos”.
El estudio “STARFORGE: Hacia una formación y retroalimentación numérica completa de cúmulos estelares” fue apoyado por la National Science Foundation y la NASA.
Proporcionado por la Universidad Northwestern