Supercomputersimulationen entschlüsseln das Massenrätsel der ersten Sterne

Ching-Yao Tang und Dr. Ke-Jung Chen vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica (ASIAA) haben mit dem leistungsstarken Supercomputer im Berkeley National Lab erhebliche Fortschritte bei der Entschlüsselung der Geburtsmasse der ersten Sterne gemacht.

Das neue Forschung wird in der neuesten Ausgabe der berichtet Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.

In den frühesten Stadien des Universums existierten nach dem Urknall nur Wasserstoff und Helium, und entscheidende lebenserhaltende Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff mussten noch entstehen. Ungefähr 200 Millionen Jahre später begannen sich die ersten Sterne zu bilden, die als Sterne der Population III (Pop III) bekannt sind.

Diese Sterne initiierten die Produktion schwererer Elemente durch Kernverbrennung in ihren Kernen. Als diese Sterne das Ende ihres Lebenszyklus erreichten, wurden einige zu Supernovae und erzeugten mächtige Explosionen, die neu synthetisierte Elemente in das frühe Universum verteilten und die Grundlage für Leben bildeten.

Die Art der auftretenden Supernova hängt von der Masse des ersten Sterns bei seinem Untergang ab, was zu unterschiedlichen Mustern der chemischen Häufigkeit führt. Beobachtungen von extrem metallarmen (EMP) Sternen, die nach den ersten Sternen und ihren Supernovae entstanden sind, waren entscheidend für die Schätzung der typischen Masse der ersten Sterne. Beobachtungen zufolge lässt die Elementhäufigkeit von EMP-Sternen darauf schließen, dass die ersten Sterne Massen zwischen 12 und 60 Sonnenmassen hatten.

Frühere kosmologische Simulationen schlugen jedoch eine kopflastige und breit verteilte Massenfunktion für die ersten Sterne vor, die zwischen 50 und 1.000 Sonnenmassen lag. Diese erhebliche Massendiskrepanz zwischen Simulationen und Beobachtungen beschäftigt Astrophysiker seit mehr als einem Jahrzehnt.

Ching-Yao Tang und Ke-Jung Chen nutzten den leistungsstarken Supercomputer im Berkeley National Lab, um die weltweit ersten hochauflösenden 3D-Hydrodynamiksimulationen turbulenter Sternentstehungswolken für die ersten Sterne zu erstellen. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass Überschallturbulenzen die Sternentstehungswolken effektiv in mehrere Klumpen fragmentieren, von denen jeder dichte Kerne mit einer Masse von 22 bis 175 Sonnenmassen aufweist und die dazu bestimmt sind, die ersten Sterne mit einer Masse von etwa 8 bis 58 Sonnenmassen zu bilden, was gut mit der Beobachtung übereinstimmt .

Wenn die Turbulenzen außerdem schwach sind oder in den Simulationen nicht aufgelöst werden, können die Forscher ähnliche Ergebnisse aus früheren Simulationen reproduzieren. Dieses Ergebnis unterstreicht zunächst die Bedeutung von Turbulenzen bei der Entstehung erster Sterne und bietet einen vielversprechenden Weg zur Verringerung der theoretischen Massenskala der ersten Sterne. Es gleicht erfolgreich die Massendiskrepanz zwischen Simulationen und Beobachtungen aus und liefert eine solide theoretische Grundlage für die erste Sternentstehung.