Uma equipe que inclui astrofísicos da Northwestern University desenvolveu a simulação 3D mais realista e de mais alta resolução da formação de estrelas até hoje. O resultado é uma maravilha visualmente deslumbrante, matematicamente guiada, que permite aos espectadores flutuar em torno de uma nuvem de gás colorida no espaço 3D enquanto observam o surgimento de estrelas cintilantes.
Chamada STARFORGE (Star Formation in Gaseous Environments), a estrutura computacional é a primeira a simular uma nuvem de gás inteira – 100 vezes mais massiva do que anteriormente possível e cheia de cores vibrantes – onde as estrelas nascem.
É também a primeira simulação a modelar simultaneamente a formação, evolução e dinâmica de estrelas, ao mesmo tempo em que leva em consideração o feedback estelar, incluindo jatos, radiação, vento e atividade de supernovas próximas. Enquanto outras simulações incorporaram tipos individuais de feedback estelar, STARFORGE os coloca juntos para simular como esses vários processos interagem para afetar a formação de estrelas.
Usando este belo laboratório virtual, os pesquisadores pretendem explorar questões antigas, incluindo por que a formação de estrelas é lenta e ineficiente, o que determina a massa de uma estrela e por que as estrelas tendem a se formar em aglomerados.
Os pesquisadores já usaram o STARFORGE para descobrir que os jatos protoestelares – fluxos de gás de alta velocidade que acompanham a formação de estrelas – desempenham um papel vital na determinação da massa de uma estrela. Ao calcular a massa exata de uma estrela, os pesquisadores podem determinar seu brilho e mecanismos internos, bem como fazer melhores previsões sobre sua morte.
Recentemente aceito pelos Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, uma cópia avançada do manuscrito, detalhando a pesquisa por trás do novo modelo, apareceu online hoje. Um artigo complementar, descrevendo como os jatos influenciam a formação de estrelas, foi publicado no mesmo jornal em fevereiro de 2021.
“As pessoas vêm simulando a formação de estrelas há algumas décadas, mas o STARFORGE é um salto quântico em tecnologia”, disse Michael Grudić da Northwestern, que co-liderou o trabalho. “Outros modelos só foram capazes de simular um pequeno pedaço da nuvem onde as estrelas se formam – não a nuvem inteira em alta resolução. Sem ver o quadro geral, perdemos muitos fatores que podem influenciar o resultado da estrela.”
“Como as estrelas se formam é uma questão central na astrofísica”, disse Claude-André Faucher-Giguère da Northwestern, autor sênior do estudo. “Tem sido uma questão muito desafiadora de explorar por causa da gama de processos físicos envolvidos. Esta nova simulação nos ajudará diretamente a abordar questões fundamentais que não podíamos definitivamente responder antes.”
Grudić é pós-doutorado no Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica (CIERA) da Northwestern. Faucher-Giguère é professor associado de física e astronomia no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do CIERA. Grudić co-liderou o trabalho com Dávid Guszejnov, um pós-doutorado na Universidade do Texas em Austin.
Do início ao fim, a formação de estrelas leva dezenas de milhões de anos. Portanto, mesmo quando os astrônomos observam o céu noturno para ter um vislumbre do processo, eles podem ver apenas um breve instantâneo.
“Quando observamos estrelas se formando em qualquer região, tudo o que vemos são locais de formação estelar congelados no tempo”, disse Grudić. “As estrelas também se formam em nuvens de poeira, por isso estão quase sempre escondidas.”
Para que os astrofísicos vejam todo o processo dinâmico da formação estelar, eles devem contar com simulações. Para desenvolver o STARFORGE, a equipe incorporou código computacional para vários fenômenos da física, incluindo dinâmica de gás, campos magnéticos, gravidade, aquecimento e resfriamento e processos de feedback estelar. Às vezes, levando três meses inteiros para executar uma simulação, o modelo requer um dos maiores supercomputadores do mundo, uma instalação apoiada pela National Science Foundation e operada pelo Texas Advanced Computing Center.
A simulação resultante mostra uma massa de gás – dezenas a milhões de vezes a massa do Sol – flutuando na galáxia. Conforme a nuvem de gás evolui, ela forma estruturas que entram em colapso e se quebram em pedaços, que eventualmente formam estrelas individuais. Assim que as estrelas se formam, elas lançam jatos de gás de ambos os pólos, perfurando a nuvem circundante. O processo termina quando não há mais gás para formar mais estrelas.
O STARFORGE já ajudou a equipe a descobrir um novo insight crucial sobre a formação de estrelas. Quando os pesquisadores executaram a simulação sem levar em conta os jatos, as estrelas ficaram muito grandes – 10 vezes a massa do sol. Depois de adicionar jatos à simulação, as massas das estrelas tornaram-se muito mais realistas – menos da metade da massa do sol.
“Os jatos interrompem o fluxo de gás em direção à estrela”, disse Grudić. “Eles essencialmente sopram o gás que teria ido parar na estrela e aumentaram sua massa. As pessoas suspeitaram que isso poderia estar acontecendo, mas, ao simular todo o sistema, temos uma compreensão robusta de como ele funciona.”
Além de entender mais sobre as estrelas, Grudić e Faucher-Giguère acreditam que o STARFORGE pode nos ajudar a aprender mais sobre o universo e até sobre nós mesmos.
“Compreender a formação de galáxias depende de suposições sobre a formação de estrelas”, disse Grudić. “Se pudermos entender a formação de estrelas, então podemos entender a formação de galáxias. E ao entender a formação de galáxias, podemos entender mais sobre o que o universo é feito. Entender de onde viemos e como estamos situados no universo depende, em última análise, compreender as origens das estrelas.”
“Conhecer a massa de uma estrela nos mostra seu brilho, bem como que tipos de reações nucleares estão acontecendo dentro dela”, disse Faucher-Giguère. “Com isso, podemos aprender mais sobre os elementos que são sintetizados nas estrelas, como carbono e oxigênio – elementos dos quais também somos feitos.”
O estudo, “STARFORGE: Rumo a um modo numérico abrangente de formação de aglomerados de estrelas e feedback”, foi apoiado pela National Science Foundation e NASA.
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