【原】我們能看到多遠(yuǎn)的宇宙？如果觀測(cè)距離不夠，那該怎么辦？

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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計(jì)算機(jī)模擬讓我們對(duì)恒星形成時(shí)的宇宙“黑暗時(shí)代”窺見(jiàn)一斑

為什么說(shuō)計(jì)算機(jī)技術(shù)在天文學(xué)起的作用越來(lái)越大？

要觀察發(fā)現(xiàn)宇宙第一批恒星的形成是非常困難的，為了了解宇宙第一批恒星的形成，佐治亞理工學(xué)院相對(duì)論天體物理學(xué)中心的一組研究人員最近進(jìn)行了模擬，展示了第一批恒星的形成過(guò)程。

對(duì)天文學(xué)家、天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家來(lái)說(shuō)，總是沒(méi)有能力發(fā)現(xiàn)我們宇宙中形成的初代恒星。一方面，我們現(xiàn)存的望遠(yuǎn)鏡和天文臺(tái)有限制，只能看到這么遠(yuǎn)，到目前為止，我們觀測(cè)到的最遠(yuǎn)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(fā)現(xiàn)。

另一方面，在宇宙大爆炸后的10億年內(nèi)，宇宙正經(jīng)歷著宇宙學(xué)家所謂的“黑暗時(shí)代”（Dark Ages），在這一時(shí)期宇宙內(nèi)充滿了能遮蔽可見(jiàn)光和紅外光的氣體云。幸運(yùn)的是，來(lái)自佐治亞理工學(xué)院的相對(duì)論天體物理學(xué)中心的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，最近模擬出了初代恒星的形成過(guò)程。

這份描述他們發(fā)現(xiàn)的研究成果發(fā)表在了《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》（MNRAS）上，團(tuán)隊(duì)由博士后研究員千秋元（Gen Chiaki）和副教授約翰·懷斯（ John Wise）領(lǐng)導(dǎo)，研究成員來(lái)自羅馬大學(xué)、羅馬天文臺(tái)、意大利國(guó)家天體物理學(xué)研究所（INAF）和意大利國(guó)家核子物理學(xué)研究所（INFN）。

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

天體物理學(xué)家根據(jù)恒星的生死周期推測(cè)到：宇宙中的第一批恒星非常缺乏金屬。大約在宇宙大爆炸后的1億年后，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(huì)形成質(zhì)量比我們的太陽(yáng)大1000倍的恒星。

這些恒星因?yàn)轶w量太大不能活很久，大概只能存在幾百萬(wàn)年，在這段時(shí)間內(nèi)，這些恒星的核反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生新的且更重的元素，隨著恒星的坍縮并最終發(fā)生超新星爆炸，這些新元素就會(huì)分散到宇宙各處。結(jié)果是，下一代的恒星會(huì)有著碳這樣更重的元素，成為碳增強(qiáng)金屬貧（Carbon-Enhanced Metal-Poor）恒星。

來(lái)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(gòu)成，現(xiàn)今天文學(xué)家有可能看到這些恒星的構(gòu)成。通過(guò)研究這些金屬貧恒星形成的背后機(jī)制，科學(xué)家能推斷出在宇宙的“黑暗時(shí)代”，初代恒星形成時(shí)發(fā)生了什么。正如懷斯在一場(chǎng)得克薩斯州高級(jí)計(jì)算機(jī)中心（TACC）的新聞發(fā)布會(huì)上所說(shuō)：

“我們看不到最初的那代恒星，因此，關(guān)鍵是要實(shí)際觀察那些來(lái)自宇宙初期的活化石（第二代恒星），因?yàn)檫@些恒星上遍布著初代恒星的指紋，即初代恒星發(fā)生超新星爆炸后所產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)?！?/p>

“我們的模擬起作用的地方就在于讓人看到這過(guò)程的發(fā)生。你運(yùn)行模擬程序后，就能看到一部短片，里面能看到金屬來(lái)自哪里，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?！?/p>

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(tuán)隊(duì)的模擬計(jì)算主要依賴于佐治亞理工學(xué)院高級(jí)計(jì)算環(huán)境合作伙伴關(guān)系計(jì)算機(jī)集群，此外，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）、極端科學(xué)與工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境計(jì)算機(jī)集群（XSEDE）、得克薩斯州高級(jí)計(jì)算機(jī)中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)狂奔2（Stampede2）、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的弗龍?zhí)乩‵rontera）系統(tǒng)（全世界最快的學(xué)術(shù)型超級(jí)計(jì)算機(jī)）、圣地亞哥超級(jí)計(jì)算機(jī)中心（SDSC）的彗星（Comet）計(jì)算機(jī)集群等也為模擬提供了支持。

有了這些計(jì)算機(jī)集群提供的超強(qiáng)計(jì)算能力和海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，研究團(tuán)隊(duì)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：宇宙中初代恒星后形成的貧金屬恒星，在和初代恒星超新星爆炸后噴出的物質(zhì)混合后，碳含量增強(qiáng)了。

模擬也顯示出初代恒星超新星爆炸后產(chǎn)生的氣體云，播下了碳元素的顆粒，導(dǎo)致形成了低質(zhì)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(lái)的探索能研究這種恒星）。對(duì)于這種恒星，千秋元說(shuō)道：

“和觀察到的碳增強(qiáng)恒星相比，我們發(fā)現(xiàn)這種恒星的含鐵量很低，只有太陽(yáng)系鐵豐度的幾十億分之一。然而，我們能看到氣體云的碎片，這表明這些低質(zhì)量恒星是在低鐵豐度的狀態(tài)下形成的，但這樣的恒星還從未被觀察到?？傊?，我們的研究給了我們初代恒星形成的理論性見(jiàn)解?！?/p>

圖解：一項(xiàng)檢視了52個(gè)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(xué)的奧馬爾·阿爾梅尼（Omar Almaini）。

這些調(diào)查是“銀河考古學(xué)”這個(gè)新興領(lǐng)域的一部分。就像考古學(xué)家仰仗于保留下來(lái)的化石和歷史文物來(lái)研究幾個(gè)世紀(jì)或一千年前消失的社會(huì)一樣，天文學(xué)家為了研究那些早已湮滅的恒星，也在尋找古老的恒星來(lái)研究。

根據(jù)千秋元的說(shuō)法，下一步不會(huì)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(xué)家希望通過(guò)這么做，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(shuō)：

“我們研究的目標(biāo)是弄清楚像碳、氧、鈣這些元素的起源，這些元素通過(guò)星際間和恒星間不斷重復(fù)的物質(zhì)循環(huán)集中起來(lái)，我們的身體和星球都是由碳、氧、氮和鈣構(gòu)成的，因此對(duì)幫助理解這些構(gòu)成我們?nèi)祟惖脑氐钠鹪?，我們的研究至關(guān)重要?！?/p>

BY: MATT WILLIAMS

FY: redbeard305050

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選文：天文志愿文章組-

翻譯：天文志愿文章組- redbeard305050

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參考資料

1.WJ百科全書(shū)