Тяжелый металл: как первые сверхновые изменили раннее звездообразование

Дек 07, 2017 Леонид Гляделов

Новости науки:

В своих усилиях для понимания Вселенной, и всего её состава, существует явный разрыв между тем, что изучают космологи и астрофизики, и как они изучают её: масштаб. Космологи обычно сосредоточены на крупномасштабных свойствах Вселенной в целом, таких как галактики и межгалактическая среда; в то время как астрофизики больше заинтересованы в тестировании физических теорий малых и средних объектов, таких как звезды, сверхновые и межзвездная среда.

И все же эти два поля более тесно сплетены, чем это может показаться на первый взгляд, особенно если смотреть на то, как сформировалась ранняя Вселенная.

Подробнее:

«Первые сверхновые особенно интересны не только людям, изучающим звезды, но и тем, кто занимается космологией», - сказал Кен Чен, астрофизик из Ассоциации азиатских основных обсерваторий (EACOA) и ведущий автор статьи в «Астрофизическом журнале», в которой рассматривается, как первые сверхновые влияли на звездное образование и вместе с ним эволюцию Вселенной.
«Эти первые звезды были очень массивными, и сверхновые, которые исходили от этих первых звезд, также были источником большинства тяжелых элементов. Для космологов эти металлы очень важны, потому что они обеспечивали охлаждение и изменяли массовый масштаб звездного образования, которое позднее определяло появление галактик».

Для этого исследования Чен и его коллеги из Портсмутского университета и Университета Гейдельберга провели симуляции на суперкомпьютере Эдисона в Национальном научно-исследовательском вычислительном центре Национальной лаборатории научных исследований Лоуренса Беркли (NERSC), чтобы проиллюстрировать, как тяжелые металлы, изгнанные из взрывающихся сверхновых, помогли первым звездам вселенной регулировать последующее звездообразование. Идея состояла в том, чтобы принять предыдущие исследования сверхновой Чена и распространить его на космологию.

«Мы хотели понять смерть массивных звезд в ранней Вселенной - сверхновых - и как их взрывы позже повлияли на формирование звезд во вселенной, - сказал Чен. «Существует много сценариев, в которых тяжелые элементы от первых сверхновых были перенесены на звезды второго поколения, но космологические симуляции моделируют самые большие масштабы. Космологи склонны видеть образование галактик или космических структур. Но в этих видах симуляций вы не можете смоделировать мелкие детали, тонкие структуры того, как сверхновые действительно влияют на окружающий газ и меняют звездообразование».

Темное вещество Halo Photoevaporation

Таким образом, он и его сотрудники проводили мелкомасштабные симуляции с высоким разрешением химического обогащения гало темного вещества через металлы из соседнего взрыва сверхновой после частичного испарения звездой-предшественником. Команда использовала несколько сотен тысяч вычислительных часов в NERSC для создания серии двумерных и трехмерных симуляций, которые помогли им изучить роль фотогалактики галогенового гало, где энергетическое излучение ионизирует газ и заставляет его отходить от гало- играли не только в раннем образовании звезд, но и в сборке более поздних галактик.

«В ранней Вселенной звезды были массивными, и излучение, которое они излучали, было очень сильным, - объяснил Чен. «Итак, это излучение до того, как эта звезда взрывается и станет сверхновой, радиация уже нанесла значительный ущерб газу, окружающему гало звезды».

Он подчеркнул, что частичное испарение ореола до взрыва имеет решающее значение для его последующего обогащения сверхновой. Кроме того, как металлы, выброшенные из смеси взрыва с ореолом, имеют решающее значение для прогнозирования количества металлов в звезде второго поколения, которая влияет на размер и массу этих звезд, и таким образом, на состав галактики. Но предыдущие исследования не связывали между звездообразование образование галактик в таких деталях, отметил Чэнь. Именно это побудило исследователей использовать многомасштабный мультифизический подход, используя два разных кода: ZEUS-MP, который имеет радиационную составляющую, необходимую для испарения ореола, и CASTRO, который был разработан в Berkeley Lab и имеет адаптивную для устранения столкновения выталкиваемого металла с гало.

«Технические детали и другая физика делают эти симуляции более сложными и трудными, но мы пытаемся заполнить пробел между малыми масштабами и крупными галактическими масштабами», - сказал Чэнь, добавив, что он считает, что это исследование является первым из своего рода. «Мы пытаемся раздвигать границы и связывать то, что кажется совершенно разным, но на самом деле тесно связаным».