Ninguém ainda encontrou as primeiras estrelas.

A hipótese é que eles se formaram cerca de 100 milhões de anos após o Big Bang da escuridão universal dos gases primordiais de hidrogênio, hélio, e traçar metais leves. Esses gases resfriaram, desabou, e inflamado em estrelas até 1, 000 vezes mais maciço do que o nosso sol. Quanto maior a estrela, mais rápido eles queimam. As primeiras estrelas provavelmente viveram apenas alguns milhões de anos, uma gota no balde da idade do universo, em cerca de 13,8 bilhões de anos. É improvável que jamais sejam observados, perdido nas brumas do tempo.

À medida que as primeiras estrelas sem metal entraram em colapso e explodiram em supernovas, eles forjaram elementos mais pesados, como o carbono, que semeou a próxima geração de estrelas. Um tipo dessas segundas estrelas é chamado de estrela pobre em metal com reforço de carbono. Eles são como fósseis para os astrofísicos. Sua composição reflete a nucleossíntese, ou fusão, de elementos mais pesados ​​das primeiras estrelas.

"Podemos obter resultados de medições indiretas para obter a distribuição de massa de estrelas sem metal a partir da abundância de elementos de estrelas pobres em metal, "disse o Gen Chiaki, um pesquisador pós-doutorado no Center for Relativistic Astrophysics, Escola de Física, Georgia Tech.

Chiaki é o principal autor de um estudo publicado na edição de setembro de 2020 da Avisos mensais da Royal Astronomical Society . O estudo modelou pela primeira vez supernovas tênues de primeiras estrelas livres de metal, que produziu padrões de abundância aumentados com carbono por meio da mistura e do fallback dos bits ejetados.

Suas simulações também mostraram os grãos carbonáceos semeando a fragmentação da nuvem de gás produzida, levando à formação de estrelas 'pobres em metal giga-metal' de baixa massa que podem sobreviver até os dias de hoje e possivelmente ser encontradas em observações futuras.

"Descobrimos que essas estrelas têm um teor de ferro muito baixo em comparação com as estrelas realçadas por carbono observadas com bilionésimos da abundância solar de ferro. No entanto, podemos ver a fragmentação das nuvens de gás. Isso indica que as estrelas de baixa massa se formam em um regime de baixa abundância de ferro. Essas estrelas nunca foram observadas ainda. Nosso estudo nos dá uma visão teórica da formação das primeiras estrelas, "Chiaki disse.

As investigações de Wise e Chiaki fazem parte de um campo denominado 'arqueologia galáctica'. Eles comparam isso à busca por artefatos subterrâneos que falam sobre o caráter de sociedades há muito desaparecidas. Para astrofísicos, o caráter de estrelas desaparecidas pode ser revelado a partir de seus restos fossilizados.

"Não podemos ver as primeiras gerações de estrelas, "disse o co-autor do estudo John Wise, um professor associado também no Center for Relativistic Astrophysics, Escola de Física, Georgia Tech. "Portanto, é importante realmente olhar para esses fósseis vivos do universo primordial, porque eles têm as impressões digitais das primeiras estrelas sobre eles através dos produtos químicos que foram produzidos na supernova das primeiras estrelas. "

"Essas estrelas velhas têm algumas impressões digitais da nucleossíntese de estrelas livres de metal. É uma dica para buscarmos o mecanismo de nucleossíntese que aconteceu no início do universo, "Chiaki disse.

"É aí que nossas simulações entram em ação para ver isso acontecendo. Depois de executar a simulação, você pode assistir a um pequeno filme dele para ver de onde vêm os metais e como as primeiras estrelas e suas supernovas realmente afetam esses fósseis que vivem até os dias atuais, "Wise disse.

Os cientistas primeiro modelaram a formação de sua primeira estrela, chamada de estrela da População III ou Pop III, e rodou três simulações diferentes que corresponderam à sua massa em 13,5, 50, e 80 massas solares. As simulações resolveram a transferência radiativa durante sua seqüência principal e depois ela morre e se transforma em supernova. A última etapa foi evoluir o colapso da nuvem de moléculas expelidas pela supernova que envolvia uma rede química de 100 reações e 50 espécies, como monóxido de carbono e água.

A maioria das simulações foi executada no cluster Georgia Tech PACE. Eles também receberam alocações de computador pela National Science Foundation (NSF), financiada pelo Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE). Stampede2 no Texas Advanced Computing Center (TACC) e Comet no San Diego Supercomputer Center (SDSC) executaram algumas das simulações de transferência radiativa da sequência principal por meio de alocações XSEDE.

"Os sistemas XSEDE Comet no SDSC e Stampede2 no TACC são muito rápidos e têm um grande sistema de armazenamento. Eles eram muito adequados para conduzir nossas enormes simulações numéricas, "Chiaki disse.

"Porque Stampede2 é tão grande, embora tenha que acomodar milhares de pesquisadores, ainda é um recurso inestimável para nós, "Wise disse." Não podemos simplesmente executar nossas simulações em máquinas locais na Georgia Tech. "

Chiaki disse que também estava feliz com as filas rápidas no Comet no SDSC. "No Comet, Eu poderia executar as simulações imediatamente após enviar o trabalho, " ele disse.

Wise has been using XSEDE system allocations for over a decade, starting when he was a postdoc. "I couldn't have done my research without XSEDE."

XSEDE also provided expertise for the researchers to take full advantage of their supercomputer allocations through the Extended Collaborative Support Services (ECSS) program. Wise recalled using ECSS several years ago to improve the performance of the Enzo adaptive mesh refinement simulation code he still uses to solve the radiative transfer of stellar radiation and supernovae.

"Through ECSS, I worked with Lars Koesterke at TACC, and I found out that he used to work in astrophysics. He worked with me to improve the performance by about 50 percent of the radiation transport solver. He helped me profile the code to pinpoint which loops were taking the most time, and how to speed it up by reordering some loops. I don't think I would have identified that change without his help, " Wise said.

Wise has also been awarded time on TACC's NSF-funded Frontera system, the fastest academic supercomputer in the world. "We haven't gotten to full steam yet on Frontera. But we're looking forward to using it, because that's even a larger, more capable resource."

Wise added:"We're all working on the next generation of Enzo. We call it Enzo-E, E for exascale. This is a total re-write of Enzo by James Bordner, a computer scientist at the San Diego Supercomputer Center. And it scales almost perfectly to 256, 000 cores so far. That was run on NSF's Blue Waters. I think he scaled it to the same amount on Frontera, but Frontera is bigger, so I want to see how far it can go."

The downside, ele disse, is that since the code is new, it doesn't have all the physics they need yet. "We're about two-thirds of the way there, " Wise said.

He said that he's also hoping to get access to the new Expanse system at SDSC, which will supersede Comet after it retires in the next year or so. "Expanse has over double the compute cores per node than any other XSEDE resource, which will hopefully speed up our simulations by reducing the communication time between cores, " Wise said.

According to Chiaki, the next steps in the research are to branch out beyond the carbon features of ancient stars. "We want to enlarge our interest to the other types of stars and the general elements with larger simulations, " ele disse.

Said Chiaki:"The aim of this study is to know the origin of elements, such as carbon, oxigênio, and calcium. These elements are concentrated through the repetitive matter cycles between the interstellar medium and stars. Our bodies and our planet are made of carbon and oxygen, azoto, and calcium. Our study is very important to help understand the origin of these elements that we human beings are made of."