為什么說計(jì)算機(jī)技術(shù)在天文學(xué)起的作用越來越大？

要觀察發(fā)現(xiàn)宇宙第一批恒星的形成是非常困難的，為了了解宇宙第一批恒星的形成，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(jìn)行了模擬，展示了第一批恒星的形成過程。

對天文學(xué)家、天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家來說，總是沒有能力發(fā)現(xiàn)我們宇宙中形成的初代恒星。一方面，我們現(xiàn)存的望遠(yuǎn)鏡和天文臺有限制，只能看到這么遠(yuǎn)，到目前為止，我們觀測到的最遠(yuǎn)天體是MACS 1149-JD星系，此星系距離地球132億光年，在哈勃極深空（Hubble eXtreme Deep Field，XDF）的圖像中被發(fā)現(xiàn)。

另一方面，在宇宙大爆炸后的10億年內(nèi)，宇宙正經(jīng)歷著宇宙學(xué)家所謂的“黑暗時代”（Dark Ages），在這一時期宇宙內(nèi)充滿了能遮蔽可見光和紅外光的氣體云。幸運(yùn)的是，來自佐治亞理工學(xué)院的相對論天體物理學(xué)中心的一個研究團(tuán)隊(duì)，最近模擬出了初代恒星的形成過程。

這份描述他們發(fā)現(xiàn)的研究成果發(fā)表在了《皇家天文學(xué)會月報(bào)》（MNRAS）上，團(tuán)隊(duì)由博士后研究員千秋元（Gen Chiaki）和副教授約翰·懷斯（ John Wise）領(lǐng)導(dǎo)，研究成員來自羅馬大學(xué)、羅馬天文臺、意大利國家天體物理學(xué)研究所(INAF)和意大利國家核子物理學(xué)研究所(INFN)。

圖解：哈勃極深空（Hubble eXtreme Deep Field，XDF）圖像。圖源：美國國家航空航天局

天體物理學(xué)家根據(jù)恒星的生死周期推測到：宇宙中的第一批恒星非常缺乏金屬。大約在宇宙大爆炸后的1億年后，這些恒星由氫氣、氦、微量的輕金屬所組成的原始混合物所形成，這些混合物的坍塌會形成質(zhì)量比我們的太陽大1000倍的恒星。

這些恒星因?yàn)轶w量太大不能活很久，大概只能存在幾百萬年，在這段時間內(nèi)，這些恒星的核反應(yīng)會產(chǎn)生新的且更重的元素，隨著恒星的坍縮并最終發(fā)生超新星爆炸，這些新元素就會分散到宇宙各處。結(jié)果是，下一代的恒星會有著碳這樣更重的元素，成為碳增強(qiáng)金屬貧（Carbon-Enhanced Metal-Poor）恒星。

來自初代恒星的更重的元素的核合成（核聚變）決定了這些恒星的構(gòu)成，現(xiàn)今天文學(xué)家有可能看到這些恒星的構(gòu)成。通過研究這些金屬貧恒星形成的背后機(jī)制，科學(xué)家能推斷出在宇宙的“黑暗時代”，初代恒星形成時發(fā)生了什么。正如懷斯在一場得克薩斯州高級計(jì)算機(jī)中心（TACC）的新聞發(fā)布會上所說：

“我們看不到最初的那代恒星，因此，關(guān)鍵是要實(shí)際觀察那些來自宇宙初期的活化石（第二代恒星），因?yàn)檫@些恒星上遍布著初代恒星的指紋，即初代恒星發(fā)生超新星爆炸后所產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)?！?/p>

“我們的模擬起作用的地方就在于讓人看到這過程的發(fā)生。你運(yùn)行模擬程序后，就能看到一部短片，里面能看到金屬來自哪里，看到初代恒星和它們的超新星爆炸如何影響這些存活到今天的活化石。”

圖解：密度、溫度、碳豐富度（圖上部）和 Pop III恒星的形成周期（圖下部）。圖源：千秋元等人

研究團(tuán)隊(duì)的模擬計(jì)算主要依賴于佐治亞理工學(xué)院高級計(jì)算環(huán)境合作伙伴關(guān)系計(jì)算機(jī)集群，此外，美國國家科學(xué)基金會（NSF）、極端科學(xué)與工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境計(jì)算機(jī)集群（XSEDE）、得克薩斯州高級計(jì)算機(jī)中心的超級計(jì)算機(jī)狂奔2（Stampede2）、美國國家科學(xué)基金會資助的弗龍?zhí)乩‵rontera）系統(tǒng)（全世界最快的學(xué)術(shù)型超級計(jì)算機(jī)）、圣地亞哥超級計(jì)算機(jī)中心（SDSC）的彗星（Comet）計(jì)算機(jī)集群等也為模擬提供了支持。

有了這些計(jì)算機(jī)集群提供的超強(qiáng)計(jì)算能力和海量數(shù)據(jù)存儲空間，研究團(tuán)隊(duì)得以模擬出宇宙中初代恒星中的微弱超新星爆炸（faint supernova ）。模擬揭示出：宇宙中初代恒星后形成的貧金屬恒星，在和初代恒星超新星爆炸后噴出的物質(zhì)混合后，碳含量增強(qiáng)了。

模擬也顯示出初代恒星超新星爆炸后產(chǎn)生的氣體云，播下了碳元素的顆粒，導(dǎo)致形成了低質(zhì)量的“千兆金屬貧”（ giga-metal-poor）恒星，這種恒星今天很可能仍然存在（未來的探索能研究這種恒星）。對于這種恒星，千秋元說道：

“和觀察到的碳增強(qiáng)恒星相比，我們發(fā)現(xiàn)這種恒星的含鐵量很低，只有太陽系鐵豐度的幾十億分之一。然而，我們能看到氣體云的碎片，這表明這些低質(zhì)量恒星是在低鐵豐度的狀態(tài)下形成的，但這樣的恒星還從未被觀察到?？?figure class="img-box" contenteditable="false">

之，我們的研究給了我們初代恒星形成的理論性見解?！?/p>

圖解：一項(xiàng)檢視了52個亞毫米星系的新研究幫助我們理解早期的宇宙。圖源：諾丁漢大學(xué)的奧馬爾·阿爾梅尼（Omar Almaini）。

這些調(diào)查是“銀河考古學(xué)”這個新興領(lǐng)域的一部分。就像考古學(xué)家仰仗于保留下來的化石和歷史文物來研究幾個世紀(jì)或一千年前消失的社會一樣，天文學(xué)家為了研究那些早已湮滅的恒星，也在尋找古老的恒星來研究。

根據(jù)千秋元的說法，下一步不會限制在古老恒星的碳特征上，其他較重的元素也將整合到更大的模擬中。銀河考古學(xué)家希望通過這么做，能知道到更多我們宇宙中生命起源和分布的信息。千秋元說：

“我們研究的目標(biāo)是弄清楚像碳、氧、鈣這些元素的起源，這些元素通過星際間和恒星間不斷重復(fù)的物質(zhì)循環(huán)集中起來，我們的身體和星球都是由碳、氧、氮和鈣構(gòu)成的，因此對幫助理解這些構(gòu)成我們?nèi)祟惖脑氐钠鹪矗覀兊难芯恐陵P(guān)重要?！?/p>

BY: MATT WILLIAMS

FY: redbeard305050

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參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞

3.原文來自：原文來自：https://www.sciencealert.com/simulation-reveals-what-the-first-stars-looked-like-as-they-formed

本文由天文志愿文章組- redbeard305050翻譯自文章作者M(jìn)ATT WILLIAMS的作品，如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請?jiān)谧髌钒l(fā)布后聯(lián)系作者刪除。

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