Zespół astrofizyków z Northwestern University opracował STARFORGE - najbardziej realistyczny program symulujący powstawanie gwiazd w historii. Rezultatem są nie tylko nowe odkrycia dotyczące kosmosu, ale także oszałamiający wizualnie film, który pozwala widzom przenieść się do kolorowego obłoku gazu oraz obserwować narodziny gwiazd. Nagranie opracowano w technologii 3D.
Dzięki wykorzystaniu jednego z najpotężniejszych superkomputerów świata, badaczom po raz pierwszy udało się stworzyć ramy obliczeniowe, które symulują cały obłok gazu, w którym rodzą się gwiazdy. W tym pełnym żywych kolorów środowisku można obserwować powstawanie gwiazd. Badania i modele szczegółowo opisujące projekt ukazały się w czasopiśmie „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” (DOI: 10.1093/mnras/stab1347).
Projekt nazwano STARFORGE, co jest skrótem od „Star Formation in Gaseous Environments” („Formowanie się gwiazd w środowisku gazowym”). STARFORGE to nie tylko akronim, ale również gra słów, której tłumaczenie na polski brzmi „kuźnia gwiazd”.
STARFORGE to pierwsza symulacja, która jednocześnie modeluje powstawanie, ewolucję i dynamikę rozwoju gwiazd, uwzględniając sprzężenia zwrotne między poszczególnymi obiektami, promieniowanie, wiatr słoneczny i aktywność pobliskich supernowych. Wcześniejsze projekty uwzględniały pojedyncze typy gwiezdnych sprzężeń zwrotnych, jednak dopiero STARFORGE połączył je razem, aby symulować jak te różne procesy oddziałują na formowanie się gwiazd.
Przy użyciu tego pięknego wizualnie, wirtualnego laboratorium, naukowcy chcą poznać odpowiedź na różne pytania, m.in. dlaczego formowanie się gwiazd jest tak powolne, co decyduje o masie gwiazdy i dlaczego podobne obiekty często powstają w gromadach.
Dzięki STARFORGE dokonano już pierwszych odkryć. W lutym tego roku opublikowano artykuł opisujący wpływ dżetów, czyli strumieni plazmy wyrzucanych z biegunów kosmicznych obiektów, na formowanie się gwiazd. Okazało się, że podobne strumienie istotnie wpływają na masę gwiazd.
- Od kilku dekad symulujemy powstawanie gwiazd. STARFORGE to niezwykły skok technologiczny w tej dziedzinie – mówi dr Michael Grudić z Northwestern, który współkierował pracami. - Wcześniejsze modele symulowały tylko mały fragment obłoku, w którym tworzą się gwiazdy. Teraz mamy cały obłok w wysokiej rozdzielczości. Nie widząc szerszego obrazu, umykało nam wiele czynników, które mogą wpłynąć na narodziny gwiazd – dodaje naukowiec.
- To, w jaki sposób powstają gwiazdy, jest jednym z głównych pytań astrofizyki – przekonuje z kolei główny autor badań prof. Claude-André Faucher-Giguère z Northwestern. – Odpowiedź na nie jest bardzo trudna ze względu na liczbę zaangażowanych w to procesów fizycznych. Ta nowa symulacja pomoże nam bezpośrednio zająć się fundamentalnymi pytaniami, na które wcześniej nie mogliśmy definitywnie odpowiedzieć – podkreśla badacz.
Proces formowania się gwiazd trwa dziesiątki milionów lat. Dlatego też, nawet jeśli astronomowie obserwują nocne niebo, mogą zobaczyć jedynie krótką migawkę tego wydarzenia. – Kiedy chcemy zobaczyć powstawanie gwiazd w danym regionie, widzimy jedynie miejsca formowania się zatrzymane w czasie - mówi Grudić. – A gwiazdy rodzą się również w obłokach pyłu, więc często są to procesy dla nas niewidoczne – dodaje.
Aby astrofizycy mogli zobaczyć pełny, dynamiczny proces formowania się gwiazd, muszą zatem polegać na symulacjach. Tworząc STARFORGE, zespół włączył do niego obliczenia wielu zjawisk w fizyce, w tym dynamiki gazów, pól magnetycznych, grawitacji, ocieplania i chłodzenia oraz procesów sprzężenia zwrotnego. Przeprowadzenie jednej symulacji z wykorzystaniem STARFORGE zajmuje nawet trzy miesiące, a model wymaga jednego z największych superkomputerów na świecie, obiektu wspieranego przez National Science Foundation i obsługiwanego przez Texas Advanced Computing Center.
Wynikiem symulacji jest masa gazu, dziesiątki lub miliony razy większa od masy Słońca. Gaz ten unosi się w galaktyce i w miarę swojej ewolucji przekształca się i zmienia, ostatecznie tworząc gwiazdę. Dzięki symulacjom z wykorzystaniem STARFORGE badacze odkryli, że gdyby nie dżety, tworzące się gwiazdy byłyby zbyt duże. Dopiero po ich dodaniu obiekty uzyskiwały realistyczne rozmiary.
- Dżety zakłócają dopływ gazu w kierunku gwiazdy - tłumaczy Grudić. - Zasadniczo „zdmuchują” one gaz, który trafiłby do gwiazdy i zwiększył jej masę. Wcześniej naukowcy podejrzewali, że tak może się dziać. Teraz dzięki symulacji mamy solidne dowody i zaczynamy rozumieć jak to działa – dodaje.
Naukowcy pracujący przy STARFORGE mają nadzieję na liczne nowe odkrycia dotyczące formowania się pierwiastków, gwiazd a nawet galaktyk.
Źródło: Northwestern University, fot. Northwestern University/YouTube
