Hyades超级计算机揭示了兄弟之星看起来为何相似的原因

正面视图（蒸馏器中的上对）显示了两个气流相遇的平面，而边缘视图（蒸馏器中的下对）中显示了两个气流的横截面。黑色圆圈表示星星。左窗格中的星星显示为白色，而右窗格中的颜色反映每个星星中两种示踪剂染料的量。模拟结果表明，气流在很短的时间内即在恒星开始形成之前就已完全均匀化。静态影像和电影的信用：马克·克鲁姆霍尔兹（Mark Krumholz）/加利福尼亚大学圣克鲁斯分校。

一项新发表的研究详细介绍了来自加州大学圣克鲁斯分校的天文学家如何使用超级计算机模拟来追踪恒星形成云中化学元素的混合，发现由单一云形成的恒星具有相同的独特化学指纹。

加州大学圣克鲁斯分校的计算天文学家发现，巨大的分子云（恒星的发源地）内气体的早期，快速，湍流混合意味着由单个云形成的所有恒星都具有相同的独特化学“标签”或“ DNA指纹”。 。这样的化学标签能识别出我们自己太阳早已消失的同胞恒星吗？研究结果发表在2014年8月31日在线的《自然》杂志上。

恒星主要由氢和氦组成，但它们也含有微量的其他元素，例如碳，氧，铁以及甚至更多的外来物质。通过仔细测量来自恒星的光的波长（颜色），天文学家可以确定每种微量元素的含量。对于任意两颗恒星，其痕量元素的丰度将略有不同：一颗恒星可能含有更多的铁，另一颗可能含有更多的碳，依此类推。

然而，十多年来，天文学家已经知道，在同一引力束缚的星团中，任何两颗恒星总是表现出相同的丰度。加州大学圣克鲁斯分校天文学和天体物理学副教授马克·克鲁姆霍尔兹说：“丰度的模式就像一个DNA指纹，一个家庭的所有成员共享一个共同的基因集。”

能够测量这种“指纹”可能非常有用，因为恒星家庭通常并不在一起。大多数恒星是作为恒星团的成员而诞生的，但是随着时间的流逝，它们会漂移并在银河系中迁移。但是，它们的丰度是在出生时确定的。因此，天文学家一直在想，是否有可能分辨出现在位于银河两边的两颗恒星是否是数十亿年前从同一颗巨大的分子云中诞生的。实际上，他们进一步想知道，甚至有可能找到我们自己的Sun久违的兄弟姐妹吗？

只是一个大问题：克鲁姆霍尔兹解释说：“尽管如今属于同一颗长寿命恒星团的恒星在化学上是相同的，但我们没有充分的理由认为这种家族相似性适用于出生在一起但又立即散布的恒星。”“根本的问题是我们真的不知道为什么恒星是化学均质的。”例如，在恒星迅速形成的云中，云是否可能没有足够的时间彻底地同质化，从而导致同时诞生但化学成分不一致的恒星呢？他补充说：“在没有真正了解产生均匀性的物理机制的情况下，一切充其量只是一种推测。”

两部11秒的电影显示了两个汇聚的星际气体流的碰撞的计算模拟，该碰撞导致中心星团的坍塌和形成。在这两部电影中，数字的快速增长表明了数百万年的时间流逝。左图显示星际气体的密度（黄色和红色最密集），右图显示添加的红色和蓝色“示踪染料”以观察气体在坍塌过程中如何混合。

令人惊讶的暴力

因此，克鲁姆霍尔兹和他的研究生Yi Feng求助于UCSC的Hyades超级计算机来进行流体动力学仿真。他们模拟了两条星际气体流，它们汇合在一起形成一团云，在数百万年的时间里，它在自身的引力作用下坍塌而形成一团恒星。“我们在模拟过程中将示踪剂染料添加到了两个流中，这使我们可以观察到在此过程中气体如何混合在一起，”克鲁姆霍尔兹谈到。他们将红色染料放入一股流中，而将蓝色染料放入另一股中，但是当云开始塌陷并形成恒星时，一切都变成紫色了，而产生的恒星也变成了紫色。他说：“我们发现，当溪流汇聚在一起时，它们变得非常湍急，湍流非常有效地将示踪染料混合在一起。”

克鲁姆霍尔兹说：“模拟精确地揭示了为什么在一起诞生的恒星最终会具有相同的微量元素丰度：当形成恒星的云被组装在一起时，它就会非常迅速地完全混合在一起。”“这实际上是一个惊喜：我没想到湍流会如此剧烈，所以我没想到这种混合会如此迅速或有效。我以为我们会得到一些蓝色的星星和一些红色的星星，而不是得到所有的紫色星星。”

在其他模拟运行中，克鲁姆霍兹和冯发现，即使没有将大量气体转化为恒星的云（就像太阳的母云可能没有那样），仍会产生几乎相同丰度的恒星。“我们提供了关于化学混合如何以及为何起作用的缺少的物理解释，并令人信服地表明，即使在不产生星团的环境（例如太阳必须具有恒星团的环境）中，化学混合过程也非常普遍和迅速。形成了，”克鲁姆霍尔兹说。

这一发现使化学标记的想法更加牢固。克鲁姆霍尔茨说：“这对于寻找太阳早已失散的兄弟姐妹的人来说是个好消息，”

这项工作得到了美国国家科学基金会和美国国家航空航天局的支持； Hyades超级计算机部分是通过加利福尼亚大学高性能AstroComputing（UC-HiPACC）的资助获得的。

出版物：Yi Feng和Mark R. Krumholz，“早期湍流混合是开放星团中化学均匀性的起源”，《自然》（2014年）； doi：10.1038 / nature13662

研究报告的PDF副本：早期湍流混合是开放星团中化学均匀性的起源

图像：马克·克鲁姆霍尔兹（Mark Krumholz）/加利福尼亚大学圣克鲁斯分校