Nadie ha encontrado aún las primeras estrellas.
Se supone que se formaron unos 100 millones de años después del Big Bang a partir de la oscuridad universal a partir de los gases primordiales de hidrógeno, helio y trazas de metales ligeros. Estos gases se enfriaron, colapsaron y se encendieron en estrellas hasta 1.000 veces más.masiva que nuestro Sol. Cuanto más grande es la estrella, más rápido se queman. Las primeras estrellas probablemente solo vivieron unos pocos millones de años, una gota en el cubo de la edad del universo, alrededor de 13.800 millones de años.ser observado, perdido en las brumas del tiempo.
A medida que las primeras estrellas sin metales colapsaron y explotaron en supernovas, forjaron elementos más pesados como el carbono que sembraron la próxima generación de estrellas. Un tipo de estas segundas estrellas se llama estrella pobre en metales mejorada en carbono.como los fósiles para los astrofísicos. Su composición refleja la nucleosíntesis, o fusión, de elementos más pesados de las primeras estrellas.
"Podemos obtener resultados de mediciones indirectas para obtener la distribución de masa de estrellas libres de metales a partir de las abundancias elementales de estrellas pobres en metales", dijo Gen Chiaki, investigador postdoctoral en el Centro de Astrofísica Relativista, Escuela de Física, Georgia Tech.
Chiaki es el autor principal de un estudio publicado en la edición de septiembre de 2020 de la Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society . El estudio modeló por primera vez débiles supernovas de primeras estrellas sin metales, que produjeron patrones de abundancia mejorados con carbono a través de la mezcla y retroceso de los bits expulsados.
Sus simulaciones también mostraron que los granos carbonosos siembran la fragmentación de la nube de gas producida, lo que lleva a la formación de estrellas 'pobres en gigametales' de baja masa que pueden sobrevivir hasta el día de hoy y posiblemente encontrarse en observaciones futuras.
"Encontramos que estas estrellas tienen un contenido de hierro muy bajo en comparación con las estrellas con aumento de carbono observadas con mil millonésimas de la abundancia solar de hierro. Sin embargo, podemos ver la fragmentación de las nubes de gas. Esto indica que las estrellas de baja masase forman en un régimen de baja abundancia de hierro. Tales estrellas nunca se han observado todavía. Nuestro estudio nos da una idea teórica de la formación de las primeras estrellas ", dijo Chiaki.
Las investigaciones de Wise y Chiaki son parte de un campo llamado 'arqueología galáctica'. Lo comparan con la búsqueda de artefactos subterráneos que hablan sobre el carácter de sociedades desaparecidas. Para los astrofísicos, el carácter de estrellas desaparecidas puede serrevelado de sus restos fosilizados.
"No podemos ver las primeras generaciones de estrellas", dijo el coautor del estudio John Wise, profesor asociado también en el Centro de Astrofísica Relativista, Escuela de Física, Georgia Tech. "Por lo tanto, es importante mirar realmenteen estos fósiles vivientes del universo temprano, porque tienen las huellas digitales de las primeras estrellas por todas partes a través de los productos químicos que se produjeron en la supernova de las primeras estrellas ".
"Estas viejas estrellas tienen algunas huellas dactilares de la nucleosíntesis de estrellas libres de metales. Es una pista para que busquemos el mecanismo de nucleosíntesis que ocurre en el universo temprano", dijo Chiaki.
"Ahí es donde entran en juego nuestras simulaciones para ver que esto sucede. Después de ejecutar la simulación, puede ver una pequeña película para ver de dónde provienen los metales y cómo las primeras estrellas y sus supernovas afectan realmente a estos fósiles que vivenhasta el día de hoy ", dijo Wise.
Los científicos primero modelaron la formación de su primera estrella, llamada estrella de Población III o Pop III, y ejecutaron tres simulaciones diferentes que correspondían a su masa a 13,5, 50 y 80 masas solares. Las simulaciones resolvieron la transferencia radiativa durantesu secuencia principal y luego después de que muere y se convierte en supernova. El último paso fue evolucionar el colapso de la nube de moléculas arrojadas por la supernova que involucró una red química de 100 reacciones y 50 especies como el monóxido de carbono y el agua.
La mayoría de las simulaciones se realizaron en el clúster Georgia Tech PACE. También recibieron asignaciones informáticas por parte de Extreme Science and Engineering Discovery Environment XSEDE financiado por la National Science Foundation NSF. Stampede2 en el Texas Advanced Computing Center TACC y Comet en el San Diego Supercomputer Center SDSC ejecutaron algunas de las simulaciones de transferencia radiativa de secuencia principal a través de asignaciones XSEDE.
"Los sistemas XSEDE Comet en SDSC y Stampede2 en TACC son muy rápidos y tienen un gran sistema de almacenamiento. Fueron muy adecuados para realizar nuestras enormes simulaciones numéricas", dijo Chiaki.
"Debido a que Stampede2 es tan grande, aunque tiene que acomodar a miles de investigadores, sigue siendo un recurso invaluable para nosotros", dijo Wise. "No podemos simplemente ejecutar nuestras simulaciones en máquinas locales en Georgia Tech".
Chiaki dijo que también estaba contento con las colas rápidas en Comet en SDSC. "En Comet, pude ejecutar las simulaciones inmediatamente después de enviar el trabajo", dijo.
Wise ha estado utilizando asignaciones del sistema XSEDE durante más de una década, comenzando cuando era un postdoctorado. "No podría haber hecho mi investigación sin XSEDE".
XSEDE también brindó experiencia para que los investigadores aprovechen al máximo sus asignaciones de supercomputadoras a través del programa Extended Collaborative Support Services ECSS. Wise recordó haber usado ECSS hace varios años para mejorar el rendimiento del código de simulación de refinamiento de malla adaptable Enzo que todavía usapara resolver la transferencia radiativa de radiación estelar y supernovas.
"A través de ECSS, trabajé con Lars Koesterke en TACC y descubrí que solía trabajar en astrofísica. Trabajó conmigo para mejorar el rendimiento en aproximadamente un 50 por ciento del solucionador de transporte de radiación. Me ayudó a perfilar el códigopara identificar qué bucles estaban tomando más tiempo y cómo acelerarlos reordenando algunos bucles. No creo que hubiera identificado ese cambio sin su ayuda ", dijo Wise.
Wise también ha ganado tiempo en el sistema Frontera financiado por NSF de TACC, la supercomputadora académica más rápida del mundo. "Aún no hemos llegado a toda velocidad en Frontera. Pero estamos ansiosos por usarlo, porque eso es inclusoun recurso más grande y capaz ".
Wise agregó: "Todos estamos trabajando en la próxima generación de Enzo. Lo llamamos Enzo-E, E para exaescala. Esta es una reescritura total de Enzo por James Bordner, un científico de computación en San Diego SupercomputerCentro. Y hasta ahora escala casi perfectamente a 256.000 núcleos. Eso se ejecutó en Blue Waters de NSF. Creo que lo escaló a la misma cantidad en Frontera, pero Frontera es más grande, así que quiero ver hasta dónde puede llegar ".
La desventaja, dijo, es que dado que el código es nuevo, aún no tiene toda la física que necesitan. "Estamos a dos tercios del camino", dijo Wise.
Dijo que también espera obtener acceso al nuevo sistema Expanse en SDSC, que reemplazará a Comet después de que se retire en el próximo año más o menos. "Expanse tiene más del doble de núcleos de cómputo por nodo que cualquier otro recurso XSEDE, queEs de esperar que acelere nuestras simulaciones al reducir el tiempo de comunicación entre núcleos ", dijo Wise.
Según Chiaki, los próximos pasos en la investigación son expandirnos más allá de las características del carbono de las estrellas antiguas. "Queremos ampliar nuestro interés por los otros tipos de estrellas y los elementos generales con simulaciones más grandes", dijo.
Dijo Chiaki: "El objetivo de este estudio es conocer el origen de elementos, como el carbono, el oxígeno y el calcio. Estos elementos se concentran a través de los ciclos repetitivos de materia entre el medio interestelar y las estrellas. Nuestros cuerpos y nuestro planeta sonhecho de carbono y oxígeno, nitrógeno y calcio. Nuestro estudio es muy importante para ayudar a comprender el origen de estos elementos de los que estamos hechos los seres humanos ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Texas Advanced Computing Center . Original escrito por Jorge Salazar. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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