Impresionante simulación del nacimiento de estrellas es la más realista de la historia

Llamado STARFORGE, el marco computacional es el primero en simular una nube de gas completa

Un equipo que incluye a astrofísicos de la Universidad Northwestern ha desarrollado la simulación 3D de formación estelar más realista y de mayor resolución hasta la fecha. El resultado es una maravilla visualmente impactante, impulsada por las matemáticas, que permite a los espectadores flotar alrededor de una colorida nube de gas en el espacio 3D mientras observan el surgimiento de titilantes estrellas.

Llamado STARFORGE (Formación de estrellas en entornos gaseosos), el marco computacional es el primero en simular una nube de gas completa, 100 veces más masiva de lo que era posible anteriormente y llena de vibrantes colores, donde nacen las estrellas.

También es la primera simulación que modela simultáneamente la formación, la evolución y la dinámica de las estrellas, al tiempo que tiene en cuenta la retroalimentación estelar, incluidos los chorros, la radiación, el viento y la actividad de supernovas cercanas. Mientras que otras simulaciones han incorporado tipos individuales de retroalimentación estelar, STARFORGE los pone en conjunto para simular cómo interactúan estos diversos procesos para afectar la formación estelar.

Usando este hermoso laboratorio virtual, los investigadores tienen como objetivo explorar preguntas de larga data, incluido por qué la formación de estrellas es lenta e ineficiente, qué determina la masa de una estrella y por qué las estrellas tienden a formarse en cúmulos.

Los investigadores ya han utilizado STARFORGE para descubrir que los chorros protoestelares (corrientes de gas de alta velocidad que acompañan a la formación de estrellas) juegan un papel vital en la determinación de la masa de una estrella. Al calcular la masa exacta de una estrella, los investigadores pueden determinar su brillo y mecanismos internos, así como hacer mejores predicciones sobre su muerte.

Recientemente aceptado por Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, una copia avanzada del manuscrito, que detalla la investigación detrás del nuevo modelo, apareció en línea hoy. Un artículo adjunto, que describe cómo influyen los chorros en la formación de estrellas, se publicó en la misma revista en febrero de 2021.

"La gente ha estado simulando la formación de estrellas durante un par de décadas, pero STARFORGE es un salto cuántico en tecnología", dijo Michael Grudić de Northwestern, quien codirigió el trabajo. "Otros modelos solo han podido simular una pequeña parte de la nube donde se forman las estrellas, no toda la nube en alta resolución. Sin ver el panorama general, pasamos por alto muchos factores que podrían influir en el resultado de la estrella".

"Cómo se forman las estrellas es una cuestión fundamental en astrofísica", dijo Claude-André Faucher-Giguère de Northwestern, autor principal del estudio. "Ha sido una pregunta muy desafiante de explorar debido a la variedad de procesos físicos involucrados. Esta nueva simulación nos ayudará a abordar directamente cuestiones fundamentales que antes no podíamos responder definitivamente".

Grudić es becario postdoctoral en el Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica de Northwestern (CIERA). Faucher-Giguère es profesor asociado de física y astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y miembro de CIERA. Grudić codirigió el trabajo con Dávid Guszejnov, un becario postdoctoral en la Universidad de Texas en Austin.

De principio a fin, la formación de estrellas lleva decenas de millones de años. Entonces, incluso cuando los astrónomos observan el cielo nocturno para vislumbrar el proceso, solo pueden ver una breve instantánea.

"Cuando observamos la formación de estrellas en una región determinada, todo lo que vemos son sitios de formación de estrellas congelados en el tiempo", dijo Grudić. "Las estrellas también se forman en nubes de polvo, por lo que en su mayoría están ocultas".

Para que los astrofísicos vean el proceso dinámico completo de formación estelar, deben confiar en las simulaciones. Para desarrollar STARFORGE, el equipo incorporó código computacional para múltiples fenómenos en física, incluida la dinámica de gases, campos magnéticos, gravedad, calentamiento y enfriamiento y procesos de retroalimentación estelar. A veces, el modelo requiere tres meses completos para ejecutar una simulación y requiere una de las supercomputadoras más grandes del mundo, una instalación respaldada por la National Science Foundation y operada por el Texas Advanced Computing Center.

La simulación resultante muestra una masa de gas, de decenas a millones de veces la masa del sol, flotando en la galaxia. A medida que evoluciona la nube de gas, forma estructuras que colapsan y se rompen en pedazos, que eventualmente forman estrellas individuales. Una vez que se forman las estrellas, lanzan chorros de gas hacia el exterior desde ambos polos, atravesando la nube circundante. El proceso termina cuando no queda gas para formar más estrellas.

Verter en el modelado combustible para chorros

STARFORGE ya ha ayudado al equipo a descubrir una nueva perspectiva crucial sobre la formación de estrellas. Cuando los investigadores ejecutaron la simulación sin tener en cuenta los chorros, las estrellas terminaron siendo demasiado grandes, 10 veces la masa del sol. Después de agregar chorros a la simulación, las masas de las estrellas se volvieron mucho más realistas: menos de la mitad de la masa del sol.

"Los chorros interrumpen el flujo de gas hacia la estrella", dijo Grudić. "Básicamente, eliminan el gas que habría terminado en la estrella y aumentaron su masa. La gente ha sospechado que esto podría estar sucediendo, pero, al simular todo el sistema, tenemos una sólida comprensión de cómo funciona".

Más allá de comprender más sobre las estrellas, Grudić y Faucher-Giguère creen que STARFORGE puede ayudarnos a aprender más sobre el universo e incluso sobre nosotros mismos.

"La comprensión de la formación de galaxias depende de suposiciones sobre la formación de estrellas", dijo Grudić. "Si podemos entender la formación de estrellas, entonces podemos entender la formación de galaxias. Y al comprender la formación de galaxias, podemos comprender más sobre de qué está hecho el universo. Comprender de dónde venimos y cómo estamos situados en el universo depende en última instancia de comprender los orígenes de las estrellas".

"Conocer la masa de una estrella nos dice su brillo, así como qué tipo de reacciones nucleares están ocurriendo en su interior", dijo Faucher-Giguère. "Con eso, podemos aprender más sobre los elementos que se sintetizan en las estrellas, como el carbono y el oxígeno, elementos de los que también estamos hechos".

El estudio, "STARFORGE: Toward a comprehensive numerical mode of star cluster formation and feedback", fue apoyado por la National Science Foundation y la NASA y publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.