Комп’ютерне моделювання усунуло незрозумілу різницю між прогнозованою і спостережуваною масою перших зірок.
Дослідники з Інституту астрономії та астрофізики Академії Сініка (ASIAA) використовували суперкомп’ютер Національної лабораторії Берклі, щоб зрозуміти, чому маса зірок першого покоління була меншою за прогнозовану. Моделювання показало, що в їхньому формуванні важливу роль відіграла турбулентність.
Вчені створили тривимірну гідродинамічну модель з високою роздільною здатністю для турбулентних зореутворювальних хмар, у яких сформувалися перші зірки. Моделювання показало, що надзвукова турбулентність ефективно фрагментує хмари на кілька згустків. У центрі кожного з них утворюється щільне ядро від 22 до 175 сонячних мас, яким судилося сформувати перші зірки, що були б 8-58 масивнішими за Сонце. Цей результат добре узгоджується зі спостереженнями.
Результати суперкомп’ютерного моделювання структури Всесвіту під час формування перших зірок. Сірі структури ілюструють розподіл темної матерії, коли перші зірки формуються всередині гало темної матерії. Барвисті плями являють собою зірки різної маси. Зображення: ASIAA/ Ke-Jung Chen
Під час формування космічної структури молекулярний газ тече в гравітаційні “колодязі”, створені ореолами темної матерії. У центрі гало це викликає потужний турбулентний рух, який призводить до появи виразних грудкуватих структур. Зрештою щільні ядра всередині цих згустків колапсують, формуючи зірки.
Результати суперкомп’ютерного моделювання структури Всесвіту під час формування перших зірок: грудкуваті структури, на які розпадається молекулярна хмара. Зображення: ASIAA/ Ke-Jung Chen
Приблизно через 200 млн років після Великого вибуху у Всесвіті почали формуватися перші зірки. Вони перетворювали водень і гелій, виробляючи важчі елементи за допомогою ядерного горіння в ядрах. Наприкінці життєвого циклу деякі з цих зірок стали надновими, створивши потужні вибухи, які розкидали синтезовані елементи по ранньому Всесвіту.
Тип наднової залежить від маси першої зірки в момент її загибелі. Дослідження надзвичайно бідних на метали зірок, що утворилися після перших зірок та їхніх наднових, зіграли вирішальну роль в оцінці типової маси перших світил у Всесвіті. Згідно зі спостереженнями маса цих зірок була від 12 до 60 разів більшою, ніж у Сонця.
Однак попередні космологічні моделювання припускали, що маса перших зірок мала становити від 50 до 1000 сонячних. Ця значна розбіжність між моделюванням і спостереженнями понад десять років ставила в глухий кут астрофізиків. Результат нової симуляції вперше встановив важливість турбулентності у формуванні перших зірок і усунув незрозумілі невідповідності.