TIPS：本文共有 2757 个字，阅读大概需要 6 分钟。
还没有人找到宇宙中的第一代恒星。据推测，它们是在大爆炸之后大约1亿年形成的，它是由氢气、氦气和微量轻金属的原始气体引起的普遍黑暗中形成的。这些气体冷却，分解并点燃成恒星，其质量高达太阳的1000倍。恒星越大，燃尽越快。最初的恒星可能只存在了几百万年，与大约138亿年的宇宙年龄相比微不足道。它们几乎不可能被观察到，迷失在时间的迷雾中。
图注：“星系考古学”是指研究第二代恒星以了解第一代恒星的物理特征，这些恒星在大爆炸之后仅几千万年就消失了。一项计算物理研究首次模拟了不含金属的第一代恒星的微弱超新星，产生了碳增强的丰度模式，用于恒星的形成。超新星爆炸发生在一个侧面为2 kpc的盒子中后，在一次（左右）0.41、15.22和2916百万年（左右）时，一个13太阳质量祖模型的密度、温度和碳丰度的切片。
当不含金属的第一颗恒星坍塌并爆炸成超新星时，它们融合成了更重的元素，例如碳，它们为下一代恒星提供了种子。这些第二代恒星中的一种称为碳增强的贫金属恒星，它们就像是天文学的化石。它们的组成反映了第一批恒星中较重元素的核合成或融合。
我们可以通过间接测量获得结果，从而从贫金属恒星的元素丰度中获取无金属恒星的质量分布。
千秋健（Gen Chiaki）是该研究的主要作者，该研究发表在2020年9月的《皇家天文学会月刊》上。该研究首次模拟了不含金属的第一代恒星的微弱超新星，该超新星通过通过喷射位的混合和回退产生了碳增强丰度模式。
图注：动画显示了由50个太阳质量的第一代恒星的超新星产生的碳和铁的富集过程。四个面板显示密度、温度、碳和铁的丰度。首先，金属以几乎球形的方式分散在周围区域（爆炸后<14 Myr）。然后，金属在水平方向上膨胀，而膨胀在垂直方向上停止。最终，金属再次返回中心区域，形成下一代恒星。
他们的模拟还显示，碳质颗粒播种了所产生的气云的碎片，导致形成了低质量的“超贫金属”恒星，这些恒星可以生存到今天，并且有可能在未来的观测中发现。
“我们发现，与观测到的碳增强型恒星相比，这些恒星的铁含量非常低，而太阳中铁的含量为数十亿分之十。但是，我们可以看到气体云的碎片。这表明低质量恒星形成于 铁的丰度低。这种恒星尚未被观察到。我们的研究为我们提供了关于第一代恒星形成的理论见解。”
约翰·怀斯（John Wise）和千秋健（Gen Chiaki）的研究属于“星系考古学”领域的一部分。他们将其比作是寻找地下文物，这些地下文物讲述了已久的社会特征。对于天体物理学家来说，长久消失的恒星的特征可以从其化石遗迹中揭示出来。
“我们看不到第一代恒星，”佐治亚理工学院物理学院相对论天体物理学中心副教授研究合著者约翰·怀斯（John Wise）说，“因此，重要的是实际观察早期宇宙中的这些活化石，因为它们具有通过第一代恒星产生的超新星产生的化学物质遍布整个第一批恒星的指纹。”
“这些古老的恒星具有不含金属的恒星核合成的一些指纹。这对于我们寻找发生在早期宇宙中的核合成机制有一个提示。”
这是我们的建模起作用的地方，可以看到这种情况。运行模拟后，您可以观看其中的短片，以了解金属的来源以及首批恒星及其超新星实际上如何影响着这些化石，这些化石一直存在到最后。
科学家首先模拟了第一代恒星III或Pop III的形成，并进行了三种不同的模拟，分别对应于其质量分别为13.5、50和80太阳质量。模拟解决了辐射在其主要序列中的转移，然后在死亡并变为超新星之后。最后一步是发展由超新星喷出的分子云的塌陷，该分子云涉及由100个反应和50种物种（例如一氧化碳和水）组成的化学网络。
图注：在超新星发生后，tSN = 0.41 Myr（a列），15.22 Myr（b列）和29.16 Myr（c列）时，质量Mpr = 13太阳质量的祖先模型的密度，温度和碳丰度切片。在侧面装有2 kpc且位于MH重心中心的盒子中爆炸。
大多数模拟都在Georgia Tech PACE集群上运行。他们还获得了美国国家科学基金会（NSF）资助的极限科学和工程发现环境（XSEDE）的计算机分配。德克萨斯高级计算中心（TACC）的Stampede2和圣地亚哥超级计算机中心（SDSC）的Comet通过XSEDE分配运行了一些主要序列辐射传输模拟。
“ SDSC的XSEDE系统Comet和TACC的Stampede2速度非常快，并且具有大型存储系统。它们非常适合进行大量的数值模拟。”
“因为Stampede2太大了，尽管它能容纳成千上万的研究人员，但对我们来说仍然是宝贵的资源。” 怀斯说，“我们不能只是在佐治亚理工学院的本地机器上运行仿真。”
XSEDE还通过扩展的协作支持服务（ECSS）计划为研究人员提供了专门知识，以充分利用他们的超级计算机分配优势。怀斯回忆起几年前使用ECSS来改善Enzo自适应网格细化仿真代码的性能的情况，他仍然将其用于解决恒星辐射和超新星的辐射传递。
“通过ECSS，我与TACC的Lars Koesterke一起工作，发现他曾经在天体物理学领域工作。他与我一起将辐射传输求解器的性能提高了约50％。他帮助我确定了代码的准确性哪个循环花费的时间最多，以及如何通过重新排序一些循环来加快速度。如果没有他的帮助，我认为我不会发现这种变化。”
怀斯还获得了TACC NSF资助的Frontera系统（世界上最快的学术超级计算机）的奖励。“我们还没有在Frontera上全力以赴。但是我们期待使用它，因为它甚至是更强大的资源。”
“我们都在研究下一代Enzo，E 表示 exascale。这是圣地亚哥超级计算机中心的计算机科学家James Bordner完全重写的Enzo。到目前为止，它几乎可以完美地扩展到256,000个内核。这是在NSF的Blue Waters上运行的。我认为他在Frontera上将其缩放到相同的数量，但是Frontera更大，所以我想知道它能走多远。”
他说，不利的一面是，由于该代码是新代码，因此尚不具备所需的全部物理功能。怀斯说：“我们大约要走三分之二。”
他还希望能够访问SDSC的新Expanse系统，该系统将在明年左右退役后取代Comet。“与每个其他XSEDE资源相比，Expanse在每个节点上的计算核心数量增加了一倍以上，有望通过减少核心之间的通信时间来加快我们的仿真速度。”
千秋健（Gen Chiaki）认为，研究的下一步是拓展远古恒星的碳特征。他说：“我们希望通过更大的模拟将兴趣扩展到其他类型的恒星和一般元素上。”
这项研究的目的是了解碳、氧和钙等元素的起源。这些元素通过星际介质和恒星之间的重复物质循环而集中。我们的身体和我们的星球是由碳、氧、氮和钙。我们的研究对于帮助理解人类所构成的这些元素的起源非常重要。
我们转型不易，新知识内容立足于正能量、实用，觉得《超级计算机模拟出宇宙中的第一代恒星》对你有帮助，请留言收藏！
