Híd az asztrofizika és a kozmológia között: így befolyásolhatták a szupernóvák a csillagkeletkezést a korai Univerzumban

2505

Egy nemzetközi kutatócsoport többszintű, szuperszámítógépes szimulációi bemutatják, hogyan szóródtak ki a nehézfémek az elsőként felrobbant szupernóvákból, s mindez hogyan érinthette a korai Univerzumban zajló csillagkeletkezési folyamatokat, s vezethetett el a galaxisok kialakulásáig.

Mind a kozmológusok, mind az asztrofizikusok elsődleges célja az Univerzum tulajdonságainak megismerése, de vizsgálati módszereik jellemzően igen eltérő skálákon zajlódnak. A kozmológusok általában a Világegyetem egészének nagy kiterjedésű alkotóelemeire koncentrálnak, mint például a galaxisok eloszlása és az intergalaktikus közeg; míg az asztrofizikusokat jobban érdekli az elméletek kis- és közepes méretű objektumokra (csillagok, szupernóvák, csillagközi anyagfelhők) történő tesztelése. A két terület mégis összhangba hozható, különösen, ha a korai Univerzum vizsgálatáról van szó.

“Az első szupernóvák nem csupán azok számára különösen érdekesek, akik csillagokat tanulmányoznak, hanem azok számára is, akik kozmológiával foglalkoznak” – mondta Ken Chen, a Kelet-ázsiai Core Observatories Association (EACOA) asztrofizikusa és az Astrophysical Journal-ben megjelent cikk vezető szerzője, amely azt vizsgálja, hogy hogyan befolyásolták az első szupernóvák a korai csillagkeletkezést és ezzel együtt az Univerzum fejlődését. “Az első csillagok nagyon nagy tömegűek voltak, és a belőlük származó szupernóvák a periódusos rendszer nehezebb elemeinek fő forrásainak számítottak. Kozmológiai szempontból ezeknek a fémeknek a jelenléte azért nagyon fontos, mert biztosították a környezet hőmérsékletének csökkenését és megváltoztatták a csillagképződés tömegskáláját, amely a későbbi galaxisok megjelenését is meghatározta.”

A tanulmányhoz Chen és munkatársai a Portsmouth-i és a Heidelbergi Egyetemről a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium Nemzeti Energetikai Kutató Tudományos Számítástechnikai Központjában (NERSC) végeztek szuperszámítógépes szimulációkat, hogy bemutassák, hogyan segítették elő a felrobbant szupernóvákból kiszóródott nehézfémek az Univerzum első csillagait a későbbi csillagkeletkezés szabályozásában.

“Szerettük volna megérteni a nagy tömegű csillagok halálát a korai Univerzumban, és hogy a robbanásaik hogyan hatottak a későbbi csillagkeletkezési folyamatokra” – mondta Chen. “Sok olyan forgatókönyv létezik, amelyben az első szupernóvákból származó nehéz elemek bekerülnek a második generációs csillagokba, de a kozmológiai szimulációk a legnagyobb skálákon modellezik ezeket. A kozmológusok hajlamosak csak a galaxisok és a nagy kozmikus struktúrák kialakulását vizsgálni. Az ilyenfajta szimulációkban azonban nem lehet megfejteni a kis részleteket és a finom struktúrákat azzal kapcsolatban, hogy a szupernóvák valójában hogyan hatnak a környező gázra és változtatják meg a csillagkeletkezés menetét.”

Chen és munkatársai így kis skálájú, nagy felbontású szimulációkat végeztek egy hipotetikus, ősi, sötét anyagban gazdag gázfelhő nehéz elemekkel történő feldúsulása kapcsán. A csapat több százezer számítási órát töltött a NERSC-nél, hogy 2D-s és 3D-s szimulációk sorozatát készítsék el az elemzéshez.
A feltevések szerint a korai univerzumban a csillagok nagyon nagy tömegűek voltak, és az általuk kibocsátott sugárzás is nagyon nagy energiájú volt. A számítások arra vezettek, hogy az ezen csillagokból érkező sugárzás már a robbanás előtt részben ionizálhatta és eloszlathatta a közelükben lévő gázanyagot.

Pillanatkép Chen és mtsai (2017) egyik szimulációjából: a szupernóva-robbanásból érkező lökéshullám kölcsönhatásba lép a későbbi csillagkeletkezés helyszínéül szolgáló, sötét anyaggal telített régióval (forrás: Ken Chen, East Asian Core Observatories Association)

A sötét anyagban gazdag gázanyag részleges „elpárolgása” a robbanás előtt pedig döntő fontosságúnak tűnik a későbbi szupernóva-robbanás lökéshullámaival érkező nehéz elemek okozta feldúsulásban. A robbanás során kidobódó fémeknek a gázanyaggal való keveredése kritikus fontosságú a második generációs csillagokban lévő fémek mennyiségének megbecsléséhez, ami befolyásolja ezeknek a csillagoknak a méretét és a tömegét, és ezáltal a később kialakuló galaxis összetételét is. A korábbi kozmológiai tanulmányok nem vizsgálták ennyire részletesen a korai csillag- és galaxiskialakulás ezen fázisait. Chen és munkatársai ezt két különböző számítógépes kód összekapcsolásával érték el: az egyik a sötét anyaggal telített gázközeg „párolgásához” szükséges sugárzási folyamatokat írja le, míg a másik a későbbi szupernóva-robbanásokból nagy sebességgel érkező, nehéz elemekben gazdag anyag és a menet közben ritkábbá vált anyagfelhő kölcsönhatásának dinamikáját modellezi.

“A technikai részletek és a különböző fizikai megközelítések sokkal összetettebbé és bonyolultabbá teszik ezeket a szimulációkat, de megpróbáljuk kitölteni az űrt a kisebb, csillag-skálájú és nagyobb, galaktikus léptékű szimulációk között” – mondta Chen, hozzátéve, hogy úgy véli, hogy ez a tanulmány az első a maga nemében. “Megpróbáljuk kiszélesíteni a határokat, és összekötni azt, ami két különböző dolognak tűnik, de valójában szorosan összekapcsolódik.”

A hír megjelenését a GINOP-2.3.2-15-2016-00033 projekt és az Emberi Erőforrások Minisztériuma UNKP-17-2 kódszámú Új Nemzeti Kiválósági Programja támogatta.

Forrás: Science Daily, 2017.12.17.

Hozzászólás

hozzászólás