« L'archéologie galactique » fait référence à l'étude des étoiles de deuxième génération pour en savoir plus sur les caractéristiques physiques des premières étoiles, qui n'a disparu que des dizaines de millions d'années après le Big Bang. Une étude de physique numérique modélisée pour la première fois de faibles supernovae de premières étoiles sans métal, produisant des modèles d'abondance améliorés en carbone pour la formation d'étoiles. Tranche de densité, Température, et l'abondance du carbone pour un modèle de progéniteur de 13 masses solaires à des moments (gauche-droite) 0,41, 15.22, et 29,16 millions d'années après l'explosion des supernovae dans une boîte de côté 2 kpc. Crédit :Chiaki, et al.
Personne n'a encore trouvé les premières étoiles.
On suppose qu'ils se sont formés environ 100 millions d'années après le Big Bang à partir de l'obscurité universelle des gaz primordiaux de l'hydrogène, hélium, et traces de métaux légers. Ces gaz refroidis, s'est effondré, et enflammé en étoiles jusqu'à 1, 000 fois plus massive que notre soleil. Plus l'étoile est grande, plus vite ils s'éteignent. Les premières étoiles n'ont probablement vécu que quelques millions d'années, une goutte dans le seau de l'âge de l'univers, à environ 13,8 milliards d'années. Il est peu probable qu'ils soient jamais observés, perdu dans la nuit des temps.
Alors que les premières étoiles sans métal se sont effondrées et ont explosé en supernovae, ils ont forgé des éléments plus lourds tels que le carbone qui ont semé la prochaine génération d'étoiles. Un type de ces secondes étoiles est appelé une étoile pauvre en métal et enrichie en carbone. Ils sont comme des fossiles pour les astrophysiciens. Leur composition reflète la nucléosynthèse, ou fusionner, d'éléments plus lourds dès les premières étoiles.
"Nous pouvons obtenir des résultats de mesures indirectes pour obtenir la distribution de masse des étoiles sans métal à partir des abondances élémentaires d'étoiles pauvres en métaux, " dit le général Chiaki, chercheur post-doctorant au Centre d'Astrophysique Relativiste, École de physique, Géorgie Tech.
Chiaki est l'auteur principal d'une étude publiée dans le numéro de septembre 2020 du Avis mensuels de la Royal Astronomical Society . L'étude a modélisé pour la première fois de faibles supernovae de premières étoiles sans métal, qui a produit des modèles d'abondance de carbone améliorés par le mélange et le repli des bits éjectés.
L'animation montre le processus d'enrichissement en carbone et en fer de la supernova d'une étoile de première génération de 50 masses solaires. Les quatre panneaux montrent la densité, Température, abondances de carbone et de fer. D'abord, les métaux sont dispersés dans la région ambiante de manière presque sphérique ( <14 Myr après l'explosion). Puis, les métaux se dilatent dans le sens horizontal, tandis que l'expansion s'arrête dans la direction verticale. Finalement, les métaux retournent à nouveau dans la région centrale, où se forme la prochaine génération d'étoiles. Crédit :Chiaki, et al.
Leurs simulations ont également montré que les grains carbonés ensemencent la fragmentation du nuage de gaz produit, conduisant à la formation d'étoiles « giga-métal pauvres » de faible masse qui peuvent survivre jusqu'à nos jours et éventuellement être trouvées dans des observations futures.
"Nous constatons que ces étoiles ont une teneur en fer très faible par rapport aux étoiles à teneur en carbone renforcées observées avec des milliardièmes de l'abondance solaire de fer. Cependant, on voit la fragmentation des nuages de gaz. Cela indique que les étoiles de faible masse se forment dans un régime de faible abondance de fer. De telles étoiles n'ont encore jamais été observées. Notre étude nous donne un aperçu théorique de la formation des premières étoiles, " dit Chiaki.
Les recherches de Wise et Chiaki font partie d'un domaine appelé « archéologie galactique ». Ils comparent cela à la recherche d'artefacts souterrains qui racontent le caractère de sociétés disparues depuis longtemps. Aux astrophysiciens, le caractère des étoiles disparues peut être révélé à partir de leurs restes fossilisés.
L'animation montre la bulle chaude créée par la supernova simulée de 50 masses solaires à une échelle de mille années-lumière. Au centre, le nuage de gaz dense se reforme par contraction gravitationnelle. Le nuage peut être agrandi jusqu'à plusieurs unités astronomiques. Dans la région très centrale, les touffes denses sont les embryons d'étoiles. L'animation montre que les explosions de supernova peuvent déclencher la formation d'étoiles enrichies en carbone. Crédit :Chiaki, et al.
"On ne voit pas les toutes premières générations d'étoiles, " a déclaré le co-auteur de l'étude John Wise, professeur agrégé également au Center for Relativistic Astrophysics, École de physique, Géorgie Tech. "Par conséquent, il est important de vraiment regarder ces fossiles vivants de l'univers primitif, parce qu'ils ont les empreintes digitales des premières étoiles partout à travers les produits chimiques qui ont été produits dans la supernova à partir des premières étoiles."
"Ces vieilles étoiles ont des empreintes digitales de la nucléosynthèse des étoiles sans métal. C'est un indice pour nous de rechercher le mécanisme de nucléosynthèse qui se passe dans l'univers primitif, " dit Chiaki.
"C'est là que nos simulations entrent en jeu pour voir cela se produire. Après avoir exécuté la simulation, vous pouvez en regarder un court métrage pour voir d'où viennent les métaux et comment les premières étoiles et leurs supernovae affectent réellement ces fossiles qui vivent jusqu'à nos jours, " dit Sage.
Les scientifiques ont d'abord modélisé la formation de leur première étoile, appelé une star de Population III ou Pop III, et a exécuté trois simulations différentes qui correspondaient à sa masse à 13,5, 50, et 80 masses solaires. Les simulations ont été résolues pour le transfert radiatif pendant sa séquence principale, puis après sa mort et sa supernova. La dernière étape consistait à faire évoluer l'effondrement du nuage de molécules craché par la supernova qui impliquait un réseau chimique de 100 réactions et de 50 espèces telles que le monoxyde de carbone et l'eau.
Tranche de densité, Température, et l'abondance du carbone pour un modèle ancêtre avec une masse Mpr =13 masses solaires à l'instant tSN =0,41 Myr (colonne a), 15,22 Myr (colonne b), et 29,16 Myr (colonne c) après l'explosion de la supernova dans une boîte de côté 2 kpc centré sur le centroïde du MH. Crédit :Chiaki, et al.
La majorité des simulations se sont déroulées sur le cluster Georgia Tech PACE. Ils ont également reçu des allocations informatiques de la part de l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) financé par la National Science Foundation (NSF). Stampede2 au Texas Advanced Computing Center (TACC) et Comet au San Diego Supercomputer Center (SDSC) ont exécuté certaines des simulations de transfert radiatif de la séquence principale via des allocations XSEDE.
"Les systèmes XSEDE Comet au SDSC et Stampede2 au TACC sont très rapides et disposent d'un grand système de stockage. Ils étaient très adaptés pour réaliser nos énormes simulations numériques, " dit Chiaki.
"Parce que Stampede2 est tellement grand, même s'il doit accueillir des milliers de chercheurs, c'est toujours une ressource inestimable pour nous, " a déclaré Wise. "Nous ne pouvons pas simplement exécuter nos simulations sur des machines locales à Georgia Tech."
Chiaki a déclaré qu'il était également satisfait des files d'attente rapides sur Comet au SDSC. "Sur la comète, Je pouvais immédiatement lancer les simulations juste après avoir soumis le travail, " il a dit.
NSF-funded XSEDE awarded scientists access to the Stampede2 supercomputer at the Texas Advanced Computing Center (left) and the Comet supercomputer at the San Diego Supercomputer Center (center). The authors utilized the Georgia Tech PACE Hive cluster (right. Credit:University of Texas at Austin
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."
