據(jù)推測，它們是在大爆炸之后大約1億年形成的，它是由氫氣，氦氣和微量輕金屬的原始?xì)怏w引起的普遍黑暗中形成的。這些氣體冷卻，分解并點(diǎn)燃成恒星，其質(zhì)量高達(dá)太陽的1000倍。星星越大，燃盡越快。在第一批恒星可能只活了幾百萬年，在宇宙的年齡是杯水車薪，在約138十億年。他們幾乎不可能被觀察到，迷失在時(shí)間的迷霧中。

當(dāng)不含金屬的第一顆恒星坍塌并爆炸成超新星時(shí)，它們鍛造了更重的元素，例如碳，它們?yōu)橄乱淮阈翘峁┝朔N子。這些第二顆恒星中的一種稱為碳增強(qiáng)的貧金屬恒星。他們就像是天文學(xué)家的化石。它們的組成反映了第一批恒星中較重元素的核合成或融合。

“我們可以通過間接測量獲得結(jié)果，從而從貧金屬恒星的元素豐度中獲取無金屬恒星的質(zhì)量分布，”佐治亞州物理學(xué)院相對(duì)論天體物理學(xué)中心博士后Gen Chiaki說道?？萍?/p>

Chiaki是一項(xiàng)研究的主要作者，該研究發(fā)表在2020年9月的“皇家天文學(xué)會(huì)月刊”中。該研究首次模擬了不含金屬的第一顆恒星的微弱超新星，該超新星通過噴射的鉆頭的混合和回落產(chǎn)生了碳增強(qiáng)的豐度模式。

他們的模擬還顯示，碳質(zhì)顆粒播種了產(chǎn)生的氣體云的碎片，導(dǎo)致形成了低質(zhì)量的“貧金屬”恒星，這些恒星可以生存到今天，并且有可能在未來的觀測中發(fā)現(xiàn)。

“我們發(fā)現(xiàn)，與觀察到的碳增強(qiáng)的恒星相比，這些恒星具有非常低的鐵含量，這些恒星具有數(shù)十億分之十的太陽鐵。但是，我們可以看到氣體云的碎片。這表明低質(zhì)量恒星在鐵的豐度低。這種恒星尚未被觀察到。我們的研究為我們提供了關(guān)于第一顆恒星形成的理論見解。”

Wise和Chiaki的研究屬于“銀河考古學(xué)”領(lǐng)域的一部分。他們將其比作是尋找地下文物，這些文物講述了已久的社會(huì)特征。對(duì)于天體物理學(xué)家而言，長石恒星的特征可以從其化石遺跡中揭示出來。

研究合著者約翰·懷斯(John Wise)說：“我們看不到第一代恒星，”佐治亞理工學(xué)院物理學(xué)院相對(duì)論天體物理學(xué)中心副教授。“因此，重要的是實(shí)際觀察早期宇宙中的這些活化石，因?yàn)樗鼈兙哂型ㄟ^第一批恒星產(chǎn)生的超新星產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)遍布整個(gè)第一批恒星的指紋。”

千秋說：“這些古老的恒星具有不含金屬的恒星核合成的一些指紋。這對(duì)于我們尋求發(fā)生在早期宇宙中的核合成機(jī)制有一個(gè)提示。”

“這是我們的模擬起作用的地方，可以看到這種情況。運(yùn)行模擬后，您可以觀看其中的短片，以了解金屬的來源以及首批恒星及其超新星實(shí)際上如何影響著這些化石，這些化石一直存在到最后。今天。”懷斯說。

科學(xué)家首先模擬了第一顆恒星III或Pop III的形成，并進(jìn)行了三種不同的模擬，分別對(duì)應(yīng)于其質(zhì)量分別為13.5、50和80太陽質(zhì)量。模擬解決了輻射在其主要序列中的轉(zhuǎn)移，然后在死亡并變?yōu)槌滦侵?。最后一步是發(fā)展由超新星噴出的分子云的塌陷，該分子云涉及由100個(gè)反應(yīng)和50種物種(例如一氧化碳和水)組成的化學(xué)網(wǎng)絡(luò)。

大多數(shù)模擬都在Georgia Tech PACE集群上運(yùn)行。他們還獲得了美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)資助的極限科學(xué)和工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境(XSEDE)的計(jì)算機(jī)分配。德克薩斯高級(jí)計(jì)算中心(TACC)的Stampede2和圣地亞哥超級(jí)計(jì)算機(jī)中心(SDSC)的Comet通過XSEDE分配運(yùn)行了一些主要序列輻射傳輸模擬。

Chiaki說：“ SDSC的XSEDE系統(tǒng)Comet和TACC的Stampede2速度非?？欤⑶揖哂写笮痛鎯?chǔ)系統(tǒng)。它們非常適合進(jìn)行大量的數(shù)值模擬，” Chiaki說。

Wise說：“因?yàn)镾tampede2太大了，盡管它必須容納成千上萬的研究人員，但對(duì)我們來說仍然是寶貴的資源。” “我們不能只是在佐治亞理工學(xué)院的本地機(jī)器上運(yùn)行仿真。”

Chiaki表示，他也對(duì)SDSC上Comet的快速排隊(duì)感到滿意。他說：“在提交任務(wù)后，我可以立即在Comet上運(yùn)行模擬。”

Wise從使用博士后開始就使用XSEDE系統(tǒng)分配已有十多年了。“沒有XSEDE，我無法完成研究。”

XSEDE還通過擴(kuò)展的協(xié)作支持服務(wù)(ECSS)計(jì)劃為研究人員提供了專門知識(shí)，以充分利用他們的超級(jí)計(jì)算機(jī)分配優(yōu)勢。Wise回憶起幾年前使用ECSS來改善Enzo自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化仿真代碼的性能的情況，他仍然將其用于解決恒星輻射和超新星的輻射傳遞。

“通過ECSS，我與TACC的Lars Koesterke一起工作，發(fā)現(xiàn)他曾經(jīng)在天體物理學(xué)領(lǐng)域工作。他與我一起將輻射傳輸求解器的性能提高了約50%。他幫助我確定了代碼的準(zhǔn)確性哪個(gè)循環(huán)花費(fèi)的時(shí)間最多，以及如何通過重新排序一些循環(huán)來加快速度。如果沒有他的幫助，我認(rèn)為我不會(huì)發(fā)現(xiàn)這種變化。”

Wise還獲得了TACC NSF資助的Frontera系統(tǒng)(世界上最快的學(xué)術(shù)超級(jí)計(jì)算機(jī))的獎(jiǎng)勵(lì)。“我們還沒有在Frontera上全力以赴。但是我們期待使用它，因?yàn)樗踔潦歉?，更?qiáng)大的資源。”

懷斯補(bǔ)充說：“我們都在致力于下一代Enzo。我們將其稱為百億分之一Enzo-E，E。這是圣地亞哥超級(jí)計(jì)算機(jī)中心的計(jì)算機(jī)科學(xué)家James Bordner完全重寫的Enzo。到目前為止，它幾乎可以完美地?cái)U(kuò)展到256,000個(gè)內(nèi)核。這是在NSF的Blue Waters上運(yùn)行的。我認(rèn)為他在Frontera上將其縮放到相同的數(shù)量，但是Frontera更大，所以我想知道它能走多遠(yuǎn)。”

他說，不利的一面是，由于該代碼是新代碼，因此尚不具備所需的全部物理功能。懷斯說：“我們大約要走三分之二。”

他說，他也希望能夠在SDSC上使用新的Expanse系統(tǒng)，它將在明年左右退役后取代Comet。Wise說：“與每個(gè)其他XSEDE資源相比，Expanse在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的計(jì)算核心數(shù)量增加了一倍以上，這有望通過減少核心之間的通信時(shí)間來加快我們的仿真速度。”

Chiaki認(rèn)為，研究的下一步是拓展遠(yuǎn)古恒星的碳特征。他說：“我們希望通過更大的模擬將興趣擴(kuò)展到其他類型的恒星和一般元素上。”

Chiaki說：“這項(xiàng)研究的目的是了解碳，氧和鈣等元素的起源。這些元素通過星際介質(zhì)和恒星之間的重復(fù)物質(zhì)循環(huán)而集中。我們的身體和我們的星球是由碳，氧，氮和鈣。我們的研究對(duì)于幫助理解人類所構(gòu)成的這些元素的起源非常重要。”