Une équipe comprenant des astrophysiciens de la Northwestern University a développé le plus réaliste, simulation 3D la plus haute résolution de la formation d'étoiles à ce jour. Le résultat est visuellement époustouflant, merveille mathématique qui permet aux téléspectateurs de flotter autour d'un nuage de gaz coloré dans l'espace 3D tout en regardant des étoiles scintillantes émerger.

Appelé STARFORGE (Formation d'étoiles en milieux gazeux), le cadre informatique est le premier à simuler un nuage de gaz entier - 100 fois plus massif qu'il n'était possible auparavant et plein de couleurs vibrantes - où naissent les étoiles.

C'est également la première simulation à modéliser simultanément la formation d'étoiles, évolution et dynamique tout en tenant compte de la rétroaction stellaire, y compris les jets, radiation, le vent et l'activité des supernovae à proximité. Alors que d'autres simulations ont incorporé des types individuels de rétroaction stellaire, STARFORGE les regroupe pour simuler la manière dont ces divers processus interagissent pour affecter la formation des étoiles.

Grâce à ce magnifique laboratoire virtuel, les chercheurs visent à explorer des questions de longue date, y compris pourquoi la formation d'étoiles est lente et inefficace, ce qui détermine la masse d'une étoile et pourquoi les étoiles ont tendance à se former en amas.

Les chercheurs ont déjà utilisé STARFORGE pour découvrir que les jets protostellaires - des flux de gaz à grande vitesse qui accompagnent la formation d'étoiles - jouent un rôle essentiel dans la détermination de la masse d'une étoile. En calculant la masse exacte d'une étoile, les chercheurs peuvent alors déterminer sa luminosité et ses mécanismes internes ainsi que faire de meilleures prédictions sur sa mort.

Nouvellement accepté par le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society , une copie avancée du manuscrit, détaillant la recherche derrière le nouveau modèle, est apparu en ligne aujourd'hui. Un document d'accompagnement, décrivant comment les jets influencent la formation des étoiles, a été publié dans la même revue en février 2021.

"Les gens simulent la formation d'étoiles depuis quelques décennies maintenant, mais STARFORGE est un saut quantique dans la technologie, " a déclaré Michael Grudić de Northwestern, qui a codirigé les travaux. « D'autres modèles n'ont pu simuler qu'une petite partie du nuage où se forment les étoiles, pas l'intégralité du nuage en haute résolution. Sans voir la situation dans son ensemble, nous manquons beaucoup de facteurs qui pourraient influencer le résultat de la star."

"Comment se forment les étoiles est une question centrale en astrophysique, " a déclaré Claude-André Faucher-Giguère de Northwestern, un auteur principal de l'étude. « Cela a été une question très difficile à explorer en raison de la gamme de processus physiques impliqués. Cette nouvelle simulation nous aidera à répondre directement aux questions fondamentales auxquelles nous ne pouvions pas répondre de manière définitive auparavant. »

Grudić est stagiaire postdoctoral au Centre d'exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique de Northwestern (CIERA). Faucher-Giguère est professeur agrégé de physique et d'astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et membre de la CIERA. Grudić a co-dirigé les travaux avec Dávid Guszejnov, un boursier postdoctoral à l'Université du Texas à Austin.

Du début à la fin, la formation des étoiles prend des dizaines de millions d'années. Alors même que les astronomes observent le ciel nocturne pour avoir un aperçu du processus, ils ne peuvent voir qu'un bref instantané.

"Lorsque nous observons la formation d'étoiles dans une région donnée, tout ce que nous voyons, ce sont des sites de formation d'étoiles figés dans le temps, " dit Grudić. " Les étoiles se forment aussi dans des nuages ​​de poussière, donc ils sont pour la plupart cachés."

Pour que les astrophysiciens puissent voir l'intégralité, processus dynamique de formation des étoiles, ils doivent s'appuyer sur des simulations. Pour développer STARFORGE, l'équipe a incorporé un code de calcul pour de multiples phénomènes en physique, y compris la dynamique des gaz, champs magnétiques, la gravité, processus de chauffage et de refroidissement et de rétroaction stellaire. Prenant parfois trois mois complets pour exécuter une simulation, le modèle nécessite l'un des plus gros supercalculateurs au monde, une installation soutenue par la National Science Foundation et exploitée par le Texas Advanced Computing Center.

La simulation qui en résulte montre une masse de gaz, des dizaines à des millions de fois la masse du soleil, flottant dans la galaxie. Au fur et à mesure que le nuage de gaz évolue, il forme des structures qui s'effondrent et se brisent en morceaux, qui finissent par former des étoiles individuelles. Une fois les étoiles formées, ils lancent des jets de gaz vers l'extérieur des deux pôles, perçant le nuage environnant. Le processus se termine lorsqu'il n'y a plus de gaz pour former plus d'étoiles.

Verser du carburéacteur sur la modélisation

Déjà, STARFORGE a aidé l'équipe à découvrir un nouvel aperçu crucial de la formation des étoiles. Lorsque les chercheurs ont exécuté la simulation sans tenir compte des jets, les étoiles ont fini par être beaucoup trop grosses :10 fois la masse du soleil. Après avoir ajouté des jets à la simulation, les masses des étoiles sont devenues beaucoup plus réalistes, moins de la moitié de la masse du soleil.

"Les jets perturbent l'afflux de gaz vers l'étoile, " a déclaré Grudić. " Ils ont essentiellement soufflé du gaz qui se serait retrouvé dans l'étoile et aurait augmenté sa masse. Les gens ont soupçonné que cela pourrait se produire, mais, en simulant l'ensemble du système, nous avons une solide compréhension de son fonctionnement."

Au-delà de mieux comprendre les étoiles, Grudić et Faucher-Giguère croient que STARFORGE peut nous aider à en apprendre davantage sur l'univers et même sur nous-mêmes.

« Comprendre la formation des galaxies repose sur des hypothèses sur la formation des étoiles, " dit Grudić. " Si nous pouvons comprendre la formation des étoiles, alors nous pouvons comprendre la formation des galaxies. Et en comprenant la formation des galaxies, nous pouvons mieux comprendre de quoi est fait l'univers. Comprendre d'où nous venons et comment nous nous situons dans l'univers dépend en fin de compte de la compréhension de l'origine des étoiles."

"Connaître la masse d'une étoile nous indique sa luminosité ainsi que les types de réactions nucléaires qui se produisent à l'intérieur, " dit Faucher-Giguère. " Sur ce, nous pouvons en apprendre davantage sur les éléments qui sont synthétisés dans les étoiles, comme le carbone et l'oxygène, des éléments dont nous sommes également constitués."

L'étude, "STARFORGE :Vers un mode numérique complet de formation et de rétroaction des amas d'étoiles, " a été soutenu par la National Science Foundation et la NASA.