物理學家開發恒星形成3D模型 逼真模擬恒星誕生

近日，天體物理學家開發了迄今為止最真實、分辨率最高的恒星形成3D模型。他們的成果是一個非常美麗的、由數學驅動的視覺工具，當恒星在周圍出現時，觀察者仿佛置身于五顏六色的氣體云中。相關研究結果發表于《皇家天文學會月刊》。

這個名為STARFORGE(氣態環境中的恒星形成)的模型首次以全彩高分辨率模擬了整個氣體云(恒星誕生的地方)，同時也考慮了噴流、輻射、風和附近的超新星活動。STARFORGE把它們放在一起來模擬這些不同的過程是如何相互作用影響恒星形成的。

“人們模擬恒星形成已經有幾十年了，但STARFORGE是技術上的一次巨大飛躍。”該研究領導者之一、西北大學Michael Grudi表示，其他模型只能模擬形成恒星的云團的一小塊，而不是高分辨率的整個云團。

利用這個美麗的虛擬實驗室，研究人員的目標是探索以下問題：為什么恒星形成緩慢而低效，是什么決定了恒星的質量，以及為什么恒星傾向于形成星團。

該研究資深作者、美國西北大學Claude-André Faucher-Giguère說，恒星的形成是天體物理學領域的核心問題。“這是一個非常具有挑戰性的問題，因為涉及到的物理過程范圍很大。這種新的模型將幫助我們直接解決以前無法明確回答的基本問題。”

Grudi說：“恒星是在塵埃云中形成的，所以它們大多不容易被觀測到。”對于天體物理學家來說，要想看到完整、動態的恒星形成過程，必須依靠模擬，而STARFORGE提供了有史以來最詳細的視圖。

為了開發STARFORGE，該團隊整合了多種物理現象，包括氣體動力學、磁場、重力、加熱和冷卻以及恒星反饋過程。有時要花整整3個月來運行一次模擬，而這個模型需要世界上最大的超級計算機才能運行。

模擬結果顯示，大量的氣體(其質量是太陽的幾千萬倍)飄浮在星系中。隨著氣體云的演變，它會形成一些結構，這些結構會坍塌并分裂成碎片，并最終形成單獨的恒星。

在第一次漫長的模擬運行完成后，STARFORGE幫助團隊發現了一個關于恒星形成方式的重要新見解。當研究人員在沒有考慮噴流的情況下進行模擬時，這些恒星最終變為超大質量恒星，其質量是太陽的10倍。而在模擬中加入噴流后，恒星的質量變得更加真實——不到太陽質量的一半。

“噴流擾亂了流向恒星的氣體。” Grudi說，“它把原本留在恒星內增加其質量的氣體吹走。通過模擬系統，我們對相關原理有了深刻的理解。”

除了解恒星外，研究人員相信STARFORGE可以幫助科學家更多地了解宇宙甚至我們自己。

Grudi認為，通過了解星系的形成，我們可以更多地了解宇宙的組成，理解我們來自哪里，以及我們在宇宙中的位置。

Faucher-Giguère表示：“恒星的質量可以告訴我們它的亮度，以及恒星內部發生的核反應類型。有了這些，我們就可以了解更多合成恒星的元素，如碳元素和氧元素，這些元素也是構成我們人體的元素。”(辛雨)