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A incrível simulação de geração de estrelas é a mais realista de todos os tempos

Um instantâneo da primeira simulação completa do STARFORGE. É chamada de “Bigorna da Criação” e é uma nuvem molecular gigante com formação estelar singular e reações globais, incluindo jatos primários, radiação, ventos estelares e supernovas em colapso. Crédito: Northwestern University / Utah Austin

O primeiro modelo de alta resolução a simular uma nuvem de gás completa onde as estrelas nascem.

Equipe composta por Northwestern University Os astrofísicos desenvolveram a simulação 3D mais realista e de alta resolução da formação de estrelas até o momento. O resultado é uma maravilha matemática visualmente deslumbrante que permite aos espectadores flutuar em torno de uma nuvem de gás colorida em um espaço 3D enquanto observam o aparecimento de estrelas cintilantes.

Conhecida como STARFORGE (formação de estrelas em ambientes gasosos), a estrutura computacional é a primeira estrutura a simular uma nuvem de gás completa – 100 vezes maior do que anteriormente possível e cheia de cores vibrantes – na qual as estrelas nascem.

É também a primeira simulação a modelar a formação, evolução e dinâmica de estrelas simultaneamente, levando em consideração as reações estelares, incluindo jatos, radiação, ventos e atividade de supernova nas proximidades. Enquanto outras simulações envolveram tipos individuais de reações estelares, STARFORGE as junta para simular como esses diferentes processos interagem para afetar a formação de estrelas.

Usando este belo laboratório hipotético, os pesquisadores pretendem explorar questões de longo prazo, incluindo por que a formação de estrelas é lenta e ineficaz, o que determina a massa de uma estrela e por que as estrelas tendem a se formar em aglomerados.

Os pesquisadores já usaram o STARFORGE para descobrir que os jatos elementares – os fluxos de gás de alta velocidade que acompanham a formação das estrelas – desempenham um papel vital na determinação da massa de uma estrela. Ao calcular a massa exata de uma estrela, os pesquisadores podem determinar seu brilho e mecanismos internos, bem como fazer melhores previsões sobre sua morte.

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Ele foi recentemente aceito nos Avisos Mensais da Royal Astronomical Society, e uma versão avançada do manuscrito, detalhando a pesquisa por trás do novo modelo, apareceu online em 17 de maio de 2021. Folha de Acompanhamento, Que descreve como os jatos afetam a formação de estrelas, foi publicado no mesmo jornal em fevereiro de 2021.

“As pessoas vêm simulando a formação de estrelas há duas décadas, mas o STARFORGE representa um salto quântico em tecnologia”, disse Michael Grodek, da Northwestern University, que co-liderou o trabalho. Outros modelos só foram capazes de simular um pequeno pedaço de nuvem onde as estrelas estão se formando – não a nuvem inteira com alta precisão. Sem ver o quadro geral, perdemos muitos fatores que podem afetar o resultado da estrela. “

“Como as estrelas se formam é uma questão central na astrofísica”, disse Claude-Andre Faucher-Geiger, da Northwestern University, um dos principais autores do estudo. “Foi uma questão muito difícil de explorar devido ao conjunto de processos físicos envolvidos. Esta nova simulação nos ajudará a abordar questões fundamentais que não fomos capazes de responder de forma conclusiva antes.”

Aeronave bipolar

Captura de tela da simulação STARFORGE. Um núcleo giratório de gás entra em colapso, formando uma estrela central que libera jatos dipolares ao longo de seus pólos à medida que se alimentam do gás do disco circundante. Os jatos empurram o gás para longe do núcleo, o que limita a quantidade que a estrela pode eventualmente coletar. Crédito: Northwestern University / Utah Austin

Grudic é pós-doutorando no Centro Northwestern para Exploração e Pesquisa Interdisciplinar e Pesquisa em Astrofísica (CIERA). Faucher-Giguère é Professor Associado de Física e Astronomia na Escola de Artes e Ciências Weinberg da Northwestern University e membro do CIERA. Grudic co-liderou o trabalho com Dávid Guszejnov, um pós-doutorado na Universidade do Texas em Austin.

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Do início ao fim, leva dezenas de milhões de anos para formar estrelas. Portanto, mesmo quando os astrônomos observam o céu noturno para espiar o processo, eles só podem mostrar um instantâneo rápido.

“Quando observamos a formação de estrelas em qualquer região, tudo o que vemos são locais de formação de estrelas congelados ao longo do tempo”, disse Grodek. “As estrelas também se formam em nuvens de poeira, por isso muitas vezes ficam ocultas.”

Para que os astrofísicos vejam todo o processo dinâmico da formação estelar, eles devem contar com simulações. Para desenvolver o STARFORGE, a equipe integrou código computacional para vários fenômenos da física, incluindo dinâmica de gás, campos magnéticos, gravidade, aquecimento e resfriamento e processos de feedback estelar. Este modelo às vezes leva três meses inteiros para executar uma única simulação e requer um dos maiores supercomputadores do mundo, uma instalação apoiada pela National Science Foundation e gerenciada pelo Texas Center for Advanced Computing.

As simulações resultantes mostram uma massa de gás flutuando na galáxia – dezenas a milhões de vezes a massa do sol. Conforme a nuvem de gás se desenvolve, ela forma estruturas que entram em colapso e se dividem em pedaços, que eventualmente formam estrelas individuais. Assim que as estrelas se formam, jatos de gás são liberados de ambos os pólos, penetrando na nuvem circundante. O processo termina quando não há mais gás para formar mais estrelas.

Despeje combustível de jato na modelagem

De fato, o STARFORGE ajudou a equipe a descobrir novos insights importantes sobre a formação de estrelas. Quando os pesquisadores fizeram as simulações sem contar os jatos, as estrelas acabaram sendo muito grandes – 10 vezes a massa do Sol. Depois de adicionar os jatos à simulação, as massas das estrelas tornaram-se mais realistas – menos da metade da massa do Sol.

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“Os aviões interrompem o fluxo de gás em direção à estrela”, disse Grodek. “Eles estão essencialmente vomitando gás que acabará na estrela e aumentará sua massa. As pessoas suspeitaram que isso poderia acontecer, mas ao simular todo o sistema, temos um sólido entendimento de como ele funciona.”

Simulação STARFORGE

Um instantâneo da primeira simulação completa do STARFORGE. É chamada de “Bigorna da Criação” e é uma nuvem molecular gigante com formação estelar singular e reações globais, incluindo jatos primários, radiação, ventos estelares e supernovas em colapso. Crédito: Northwestern University / Utah Austin

Além de entender mais sobre as estrelas, Grudic e Faucher-Giguère acreditam que o STARFORGE pode nos ajudar a aprender mais sobre o universo e até sobre nós mesmos.

“Compreender a formação de galáxias depende de suposições sobre a formação de estrelas”, disse Grodek. “Se podemos entender a formação das estrelas, então podemos entender a formação das galáxias. Ao entender a formação das galáxias, podemos entender mais sobre do que o universo é feito. Entender de onde viemos e como caímos no universo em última análise, depende da compreensão das origens das estrelas. “

“Conhecer a massa de uma estrela nos mostra seu brilho e também os tipos de reações nucleares que ocorrem dentro dela”, disse Faucher Geiger. “Fazendo isso, podemos aprender mais sobre os elementos que são feitos nas estrelas, como carbono e oxigênio – os elementos dos quais somos feitos também.”

Referência: “STARFORGE: Toward a Comprehensive Numerical Mode for Star Cluster Formation and Reactions” por Michael Y Grodek, David Gusgenov, Philip F Hopkins, Stella SR Offner e Claude-Andre Faucher-Geiger, 17 de maio de 2021, Avisos mensais da Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / stab1347

O estudo foi financiado pela National Science Foundation e NASA.

Izer

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