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我們能看到多遠的宇宙?如果觀測距離不夠,那該怎麽辦?

為什麽說計算機技術在天文學起的作用越來越大?

要觀察發現宇宙第壹批恒星的形成是非常困難的,為了了解宇宙第壹批恒星的形成,佐治亞理工學院相對論天體物理學中心的壹組研究人員最近進行了模擬,展示了第壹批恒星的形成過程。

對天文學家、天體物理學家和宇宙學家來說,總是沒有能力發現我們宇宙中形成的初代恒星。壹方面,我們現存的望遠鏡和天文臺有限制,只能看到這麽遠,到目前為止,我們觀測到的最遠天體是MACS 1149-JD星系,此星系距離地球132億光年,在哈勃極深空(Hubble eXtreme Deep Field,XDF)的圖像中被發現。

另壹方面,在宇宙大爆炸後的10億年內,宇宙正經歷著宇宙學家所謂的“黑暗時代”(Dark Ages),在這壹時期宇宙內充滿了能遮蔽可見光和紅外光的氣體雲。幸運的是,來自佐治亞理工學院的相對論天體物理學中心的壹個研究團隊,最近模擬出了初代恒星的形成過程。

這份描述他們發現的研究成果發表在了《皇家天文學會月報》(MNRAS)上,團隊由博士後研究員千秋元(Gen Chiaki)和副教授約翰·懷斯( John Wise)領導,研究成員來自羅馬大學、羅馬天文臺、意大利國家天體物理學研究所(INAF)和意大利國家核子物理學研究所(INFN)。

圖解:哈勃極深空(Hubble eXtreme Deep Field,XDF)圖像。圖源:美國國家航空航天局

天體物理學家根據恒星的生死周期推測到:宇宙中的第壹批恒星非常缺乏金屬。大約在宇宙大爆炸後的1億年後,這些恒星由氫氣、氦、微量的輕金屬所組成的原始混合物所形成,這些混合物的坍塌會形成質量比我們的太陽大1000倍的恒星。

這些恒星因為體量太大不能活很久,大概只能存在幾百萬年,在這段時間內,這些恒星的核反應會產生新的且更重的元素,隨著恒星的坍縮並最終發生超新星爆炸,這些新元素就會分散到宇宙各處。結果是,下壹代的恒星會有著碳這樣更重的元素,成為碳增強金屬貧(Carbon-Enhanced Metal-Poor)恒星。

來自初代恒星的更重的元素的核合成(核聚變)決定了這些恒星的構成,現今天文學家有可能看到這些恒星的構成。通過研究這些金屬貧恒星形成的背後機制,科學家能推斷出在宇宙的“黑暗時代”,初代恒星形成時發生了什麽。正如懷斯在壹場得克薩斯州高級計算機中心(TACC)的新聞發布會上所說:

“我們看不到最初的那代恒星,因此,關鍵是要實際觀察那些來自宇宙初期的活化石(第二代恒星),因為這些恒星上遍布著初代恒星的指紋,即初代恒星發生超新星爆炸後所產生的化學物質。”

“我們的模擬起作用的地方就在於讓人看到這過程的發生。妳運行模擬程序後,就能看到壹部短片,裏面能看到金屬來自哪裏,看到初代恒星和它們的超新星爆炸如何影響這些存活到今天的活化石。”

圖解:密度、溫度、碳豐富度(圖上部)和 Pop III恒星的形成周期(圖下部)。圖源:千秋元等人

研究團隊的模擬計算主要依賴於佐治亞理工學院高級計算環境合作夥伴關系計算機集群,此外,美國國家科學基金會(NSF)、極端科學與工程發現環境計算機集群(XSEDE)、得克薩斯州高級計算機中心的超級計算機狂奔2(Stampede2)、美國國家科學基金會資助的弗龍特拉(Frontera)系統(全世界最快的學術型超級計算機)、聖地亞哥超級計算機中心(SDSC)的彗星(Comet)計算機集群等也為模擬提供了支持。

有了這些計算機集群提供的超強計算能力和海量數據存儲空間,研究團隊得以模擬出宇宙中初代恒星中的微弱超新星爆炸(faint supernova )。模擬揭示出:宇宙中初代恒星後形成的貧金屬恒星,在和初代恒星超新星爆炸後噴出的物質混合後,碳含量增強了。

模擬也顯示出初代恒星超新星爆炸後產生的氣體雲,播下了碳元素的顆粒,導致形成了低質量的“千兆金屬貧”( giga-metal-poor)恒星,這種恒星今天很可能仍然存在(未來的 探索 能研究這種恒星)。對於這種恒星,千秋元說道:

“和觀察到的碳增強恒星相比,我們發現這種恒星的含鐵量很低,只有太陽系鐵豐度的幾十億分之壹。然而,我們能看到氣體雲的碎片,這表明這些低質量恒星是在低鐵豐度的狀態下形成的,但這樣的恒星還從未被觀察到。總之,我們的研究給了我們初代恒星形成的理論性見解。”

圖解:壹項檢視了52個亞毫米星系的新研究幫助我們理解早期的宇宙。圖源:諾丁漢大學的奧馬爾·阿爾梅尼(Omar Almaini)。

這些調查是“銀河考古學”這個新興領域的壹部分。就像考古學家仰仗於保留下來的化石和 歷史 文物來研究幾個世紀或壹千年前消失的 社會 壹樣,天文學家為了研究那些早已湮滅的恒星,也在尋找古老的恒星來研究。

根據千秋元的說法,下壹步不會限制在古老恒星的碳特征上,其他較重的元素也將整合到更大的模擬中。銀河考古學家希望通過這麽做,能知道到更多我們宇宙中生命起源和分布的信息。千秋元說:

“我們研究的目標是弄清楚像碳、氧、鈣這些元素的起源,這些元素通過星際間和恒星間不斷重復的物質循環集中起來,我們的身體和星球都是由碳、氧、氮和鈣構成的,因此對幫助理解這些構成我們人類的元素的起源,我們的研究至關重要。”

BY: MATT WILLIAMS

FY: redbeard305050

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