Uma equipe que inclui astrofísicos da Northwestern University desenvolveu o mais realista, simulação 3D de alta resolução da formação de estrelas até o momento. O resultado é um visual deslumbrante, maravilha guiada pela matemática que permite aos espectadores flutuar em torno de uma nuvem de gás colorida no espaço 3D enquanto observam o surgimento de estrelas cintilantes.

Chamado STARFORGE (Formação Estelar em Ambientes Gasosos), a estrutura computacional é a primeira a simular uma nuvem de gás inteira - 100 vezes mais massiva do que anteriormente possível e cheia de cores vibrantes - onde as estrelas nascem.

Também é a primeira simulação a modelar simultaneamente a formação de estrelas, evolução e dinâmica ao mesmo tempo em que leva em conta o feedback estelar, incluindo jatos, radiação, atividade de vento e supernovas próximas. Enquanto outras simulações incorporaram tipos individuais de feedback estelar, STARFORGE os coloca juntos para simular como esses vários processos interagem para afetar a formação de estrelas.

Usando este belo laboratório virtual, os pesquisadores pretendem explorar questões de longa data, incluindo porque a formação de estrelas é lenta e ineficiente, 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 protoestelares - fluxos de gás de alta velocidade que acompanham a formação de estrelas - desempenham um papel vital na determinação da massa de uma estrela. Calculando a massa exata de uma estrela, os pesquisadores podem então determinar seu brilho e mecanismos internos, bem como fazer melhores previsões sobre sua morte.

Recém-aceito pelo Avisos mensais da Royal Astronomical Society , uma cópia avançada do manuscrito, detalhando a pesquisa por trás do novo modelo, apareceu online hoje. Um papel que acompanha, descrevendo como os jatos influenciam a formação de estrelas, foi publicado no mesmo jornal em fevereiro de 2021.

"As pessoas vêm simulando a formação de estrelas há algumas décadas, mas STARFORGE é um salto quântico em tecnologia, "disse Michael Grudić da Northwestern, que co-liderou o trabalho. "Outros modelos só foram capazes de simular um pequeno pedaço da nuvem onde as estrelas se formam - não a nuvem inteira em alta resolução. Sem ver o quadro geral, perdemos muitos fatores que podem influenciar o resultado da estrela. "

"Como as estrelas se formam é uma questão central na astrofísica, "disse Claude-André Faucher-Giguère da Northwestern, um autor sênior do estudo. "Tem sido uma questão muito desafiadora de explorar por causa da gama de processos físicos envolvidos. Esta nova simulação nos ajudará diretamente a abordar questões fundamentais que não podíamos definitivamente responder antes."

Grudić é pós-doutorado no Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica (CIERA) da Northwestern. Faucher-Giguère é professor associado de física e astronomia no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do CIERA. Grudić co-liderou o trabalho com Dávid Guszejnov, um pós-doutorado na Universidade do Texas em Austin.

Do início ao fim, a formação de estrelas leva dezenas de milhões de anos. Assim, enquanto os astrônomos observam o céu noturno para ter um vislumbre do processo, eles só podem ver um breve instantâneo.

"Quando observamos estrelas se formando em qualquer região, tudo o que vemos são locais de formação de estrelas congelados no tempo, "Grudić disse." As estrelas também se formam em nuvens de poeira, então eles estão quase todos ocultos. "

Para que os astrofísicos vejam na íntegra, processo dinâmico de formação de estrelas, eles devem confiar em simulações. Para desenvolver STARFORGE, a equipe incorporou código computacional para múltiplos fenômenos na física, incluindo dinâmica de gás, Campos magnéticos, gravidade, aquecimento e resfriamento e processos de feedback estelar. Às vezes, levando três meses inteiros para executar uma simulação, o modelo requer um dos maiores supercomputadores do mundo, uma instalação apoiada pela National Science Foundation e operada pelo Texas Advanced Computing Center.

A simulação resultante mostra uma massa de gás - dezenas a milhões de vezes a massa do Sol - flutuando na galáxia. Conforme a nuvem de gás evolui, ele forma estruturas que entram em colapso e se quebram em pedaços, que eventualmente formam estrelas individuais. Assim que as estrelas se formarem, eles lançam jatos de gás para fora de ambos os pólos, perfurando a nuvem circundante. O processo termina quando não há mais gás para formar mais estrelas.

Derramar combustível de jato na modelagem

Já, STARFORGE ajudou a equipe a descobrir um novo insight crucial sobre a formação de estrelas. Quando os pesquisadores executaram a simulação sem contabilizar os jatos, as estrelas ficaram muito grandes - 10 vezes a massa do sol. Depois de adicionar jatos à simulação, as massas das estrelas tornaram-se muito mais realistas - menos da metade da massa do sol.

"Jatos interrompem o influxo de gás em direção à estrela, "Grudić disse." Eles essencialmente sopram o gás que teria ido parar na estrela e aumentaram sua massa. As pessoas suspeitaram que isso pode estar acontecendo, mas, simulando todo o sistema, temos uma compreensão sólida de como funciona. "

Além de entender mais sobre estrelas, Grudić 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, "Grudić disse." Se pudermos entender a formação de estrelas, então podemos entender a formação de galáxias. E ao compreender a formação de galáxias, podemos entender mais sobre o que o universo é feito. Compreender de onde viemos e como estamos situados no universo depende, em última análise, da compreensão das origens das estrelas. "

"Conhecer a massa de uma estrela nos diz seu brilho, bem como que tipos de reações nucleares estão acontecendo dentro dela, "Faucher-Giguère disse." Com isso, podemos aprender mais sobre os elementos que são sintetizados nas estrelas, como carbono e oxigênio - elementos dos quais também somos feitos. "

O estudo, "STARFORGE:em direção a um modo numérico abrangente de formação e feedback de aglomerados estelares, "foi apoiado pela National Science Foundation e NASA.