數(shù)值模擬揭示了宇宙中恒星形成的“黑暗時期”

要觀察發(fā)現(xiàn)宇宙第一代恒星的形成是非常困難的，為了了解宇宙第一代恒星的形成，佐治亞理工學(xué)院相對論天體物理中心的一組研究人員最近進行了模擬，展示了第一代恒星的形成過程。

對于天文學(xué)家、天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家來說，要發(fā)現(xiàn)宇宙中形成的第一代恒星都是一件十分困難的事情。一方面，目前的望遠鏡或觀測站的觀測能力十分有限，我們有史以來觀測到最遠的天體是在哈勃極深場 (Hubble eXtreme Deep Field, XDF) 圖像中發(fā)現(xiàn)的MACS 1149-JD，這是一個距離地球132億光年的星系。另一方面，直到大爆炸大約10億年后，宇宙開始經(jīng)歷宇宙學(xué)家所說的“黑暗時期” (Dark Ages)。宇宙在這個時期充滿了遮擋可見光和紅外光的氣體云，所以我們很難觀測到在那時期之前的宇宙。

圖解：宇宙的演化歷史，其中有一個時期稱為宇宙的“黑暗時期”（Dark Ages）。（圖源：百度百科）

不過幸運的是，佐治亞理工學(xué)院相對論天體物理學(xué)中心的一組研究人員最近進行了數(shù)值模擬，其結(jié)果向人們展示了宇宙中第一代恒星的形成過程。該研究由中心的博士后研究員Gen Chiaki和副教授John Wise領(lǐng)導(dǎo)，來自羅馬大學(xué)、羅馬天文臺、國家天體物理研究所 (INAF) 和國家核物理研究所 (INFN) 的諸多研究人員也參與了這項研究。他們的研究成果已在《皇家天文學(xué)會月刊》上發(fā)表。

根據(jù)恒星的生命周期，天體物理學(xué)家推測宇宙中的第一代恒星應(yīng)該是貧金屬星。這些恒星在大爆炸約1億年后，由含有氫氣、氦氣和微量輕金屬的原始湯形成。這些氣體會坍縮成比我們的太陽還要大1000倍的恒星。這些恒星的壽命十分短暫，它們可能只存在了幾百萬年。不過在那段時間里，這些恒星的中心通過核反應(yīng)新生成了許多重元素，隨著恒星的坍縮并最終發(fā)生超新星爆炸，這些元素就會彌散到星際物質(zhì)中去。因此，通過這些星際物質(zhì)形成的下一代恒星將含有諸如碳在內(nèi)的較重的元素，我們稱之為碳增豐貧金屬星 (Carbon-Enhanced Metal-Poor stars)。天文學(xué)家現(xiàn)在能夠了解這些恒星的元素組成，它反映了第一代恒星中重元素核合成（聚變）的結(jié)果。

圖解：大麥哲倫星云中的超新星遺跡SNR E0519-69.0 （圖源：Wikipedia）

通過研究這些貧金屬星背后的形成機制，科學(xué)家可以推斷出在第一代恒星形成時，也就是宇宙的“黑暗時期”發(fā)生了什么。正如Wise在德克薩斯州高級計算機中心（TACC）的新聞中所說：“我們無法看到第一代恒星，因此，重要的是觀察來自早期宇宙的‘活化石’（第二代恒星）。第二代恒星中包含了第一代恒星的“指紋”，也就是第一代恒星在超新星爆發(fā)中釋放出的化學(xué)元素。數(shù)值模擬可以幫助我們了解這一過程中究竟發(fā)生了什么。我們通過模擬結(jié)果可以看出金屬元素來自哪里，以及第一代恒星和其超新星爆發(fā)是如何影響第二代恒星的。”

圖解：密度，溫度和碳豐度（上圖）以及第三星族 (Pop III) 恒星的形成周期（下圖）。（Chiaki等人）

該團隊主要基于佐治亞理工學(xué)院的PACE集群進行模擬。同時，美國國家科學(xué)基金會（NSF）的極端科學(xué)與工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境（XSEDE），TACC的Stampede2超級計算機，NSF資助的Frontera系統(tǒng)（世界上最快的學(xué)術(shù)超級計算機）以及圣地亞哥超級計算機中心（SDSC）的集群都為上述數(shù)值模擬提供了支持。

憑借這些計算集群提供的算力支持和數(shù)據(jù)存儲，該團隊能夠模擬宇宙中第一代恒星的微弱超新星。該研究表明在第一代恒星之后出現(xiàn)的碳增豐貧金屬星是通過混合從第一代恒星超新星爆發(fā)噴射出來的物質(zhì)而形成的。

他們的模擬結(jié)果還表明，第一代恒星超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的氣體云中充滿了碳質(zhì)顆粒，它們將形成小質(zhì)量的千兆貧金屬星，這些貧金屬星今天可能仍然存在（這些恒星也是未來的研究方向）。針對這些恒星，Chiaki表示：“與觀測到的碳增豐貧金屬星相比，這些恒星的鐵含量非常低，大約是太陽系鐵豐度的十億分之一。然而，我們可以看到氣體云的碎片，這表明低質(zhì)量恒星是在鐵豐度很低的狀態(tài)下形成的。雖然這樣的恒星還未被觀測到，但我們的研究可以為第一代恒星的形成提供理論見解?！?/p>

圖解：一項新的研究著眼于52個亞毫米級星系，以幫助我們了解宇宙的早期年齡。（諾丁漢大學(xué)/ Omar Almaini）

這些研究作為“銀河考古學(xué)”研究領(lǐng)域的一部分，正在不斷發(fā)展。就像考古學(xué)家如何依靠化石遺骸和文物來了解數(shù)個世紀(jì)前或幾千年前消失的社會一樣，天文學(xué)家也正通過研究古老的恒星，來更多地了解那些早已消亡的恒星。

根據(jù)Chiaki的說法，下一步模擬將不只局限在古老恒星的碳特征，其他較重的元素也將整合到更為龐大的模擬中。通過這樣的做法，銀河考古學(xué)家希望能夠更多地了解我們宇宙中生命的起源和分布。Chiaki說：“這項研究的目的是了解諸如碳、氧、鈣等元素的起源，這些元素通過星際介質(zhì)和恒星之間不斷重復(fù)的物質(zhì)循環(huán)而集中。我們的身體和所生活的星球都是由碳、氧、氮和鈣等元素組成的，因此這項研究對于理解這些元素的起源具有十分重要的意義?！?/p>

BY: Matt Williams

FY: 小陣雨

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