数值模拟揭示了宇宙中恒星形成的黑暗时期

2022年1月15整理发布：数值模拟揭示了宇宙中恒星形成的“黑暗时期”。

要观察发现宇宙第一代恒星的形成是非常困难的，为了了解宇宙第一代恒星的形成，佐治亚理工学院相对论天体物理中心的一组研究人员最近进行了模拟，展示了第一代恒星的形成过程。

对于天文学家、天体物理学家和宇宙学家来说，要发现宇宙中形成的第一代恒星都是一件十分困难的事情。一方面，目前的望远镜或观测站的观测能力十分有限，我们有史以来观测到最远的天体是在哈勃极深场 (Hubble eXtreme Deep Field, XDF) 图像中发现的MACS 1149-JD，这是一个距离地球132亿光年的星系。另一方面，直到大爆炸大约10亿年后，宇宙开始经历宇宙学家所说的“黑暗时期” (Dark Ages)。宇宙在这个时期充满了遮挡可见光和红外光的气体云，所以我们很难观测到在那时期之前的宇宙。

不过幸运的是，佐治亚理工学院相对论天体物理学中心的一组研究人员最近进行了数值模拟，其结果向人们展示了宇宙中第一代恒星的形成过程。该研究由中心的博士后研究员Gen Chiaki和副教授John Wise领导，来自罗马大学、罗马天文台、国家天体物理研究所 (INAF) 和国家核物理研究所 (INFN) 的诸多研究人员也参与了这项研究。他们的研究成果已在《皇家天文学会月刊》上发表。

根据恒星的生命周期，天体物理学家推测宇宙中的第一代恒星应该是贫金属星。这些恒星在大爆炸约1亿年后，由含有氢气、氦气和微量轻金属的原始汤形成。这些气体会坍缩成比我们的太阳还要大1000倍的恒星。这些恒星的寿命十分短暂，它们可能只存在了几百万年。不过在那段时间里，这些恒星的中心通过核反应新生成了许多重元素，随着恒星的坍缩并最终发生超新星爆炸，这些元素就会弥散到星际物质中去。因此，通过这些星际物质形成的下一代恒星将含有诸如碳在内的较重的元素，我们称之为碳增丰贫金属星 (Carbon-Enhanced Metal-Poor stars)。天文学家现在能够了解这些恒星的元素组成，它反映了第一代恒星中重元素核合成(聚变)的结果。

通过研究这些贫金属星背后的形成机制，科学家可以推断出在第一代恒星形成时，也就是宇宙的“黑暗时期”发生了什么。正如Wise在德克萨斯州高级计算机中心(TACC)的新闻中所说：“我们无法看到第一代恒星，因此，重要的是观察来自早期宇宙的‘活化石’(第二代恒星)。第二代恒星中包含了第一代恒星的“指纹”，也就是第一代恒星在超新星爆发中释放出的化学元素。数值模拟可以帮助我们了解这一过程中究竟发生了什么。我们通过模拟结果可以看出金属元素来自哪里，以及第一代恒星和其超新星爆发是如何影响第二代恒星的。”

该团队主要基于佐治亚理工学院的PACE集群进行模拟。同时，国家科学基金会(NSF)的极端科学与工程发现环境(XSEDE)，TACC的Stampede2超级计算机，NSF资助的Frontera系统(世界上最快的学术超级计算机)以及圣地亚哥超级计算机中心(SDSC)的集群都为上述数值模拟提供了支持。

凭借这些计算集群提供的算力支持和数据存储，该团队能够模拟宇宙中第一代恒星的微弱超新星。该研究表明在第一代恒星之后出现的碳增丰贫金属星是通过混合从第一代恒星超新星爆发喷射出来的物质而形成的。

他们的模拟结果还表明，第一代恒星超新星爆发所产生的气体云中充满了碳质颗粒，它们将形成小质量的千兆贫金属星，这些贫金属星今天可能仍然存在(这些恒星也是未来的研究方向)。针对这些恒星，Chiaki表示：“与观测到的碳增丰贫金属星相比，这些恒星的铁含量非常低，大约是太阳系铁丰度的十亿分之一。然而，我们可以看到气体云的碎片，这表明低质量恒星是在铁丰度很低的状态下形成的。虽然这样的恒星还未被观测到，但我们的研究可以为第一代恒星的形成提供理论见解。”

这些研究作为“银河考古学”研究领域的一部分，正在不断发展。就像考古学家如何依靠化石遗骸和文物来了解数个世纪前或几千年前消失的社会一样，天文学家也正通过研究古老的恒星，来更多地了解那些早已消亡的恒星。

根据Chiaki的说法，下一步模拟将不只局限在古老恒星的碳特征，其他较重的元素也将整合到更为庞大的模拟中。通过这样的做法，银河考古学家希望能够更多地了解我们宇宙中生命的起源和分布。Chiaki说：“这项研究的目的是了解诸如碳、氧、钙等元素的起源，这些元素通过星际介质和恒星之间不断重复的物质循环而集中。我们的身体和所生活的星球都是由碳、氧、氮和钙等元素组成的，因此这项研究对于理解这些元素的起源具有十分重要的意义。”

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