【原】一种新的高精度模拟揭示的星团形成现场

Wsz6868 2022-06-12 发布于浙江

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一种新的高精度模拟揭示的星团形成现场

日本国立天文台新闻稿:新的高精度模拟揭示的星团形成现场【概要】星星是在分子云注1这种低温下在高密度的主要由氢分子构成的星际气体中生成的，但是如果多数星星在附近同时生成的话，就会成为被称为星团注2的星星的集合。星团多包含大质量星(比太阳重约8倍以上的星星)，作为大质量星的诞生场所备受关注。在自身重力的作用下，气体下沉的巨大分子云产生星团和大质量星，大质量星最终电离、驱散作为星星原料的分子气体，结束星星的形成。猎户座大星云被认为是这种过程正在发生的现场。近年来，星团形成的情况通过使用超级计算机的数值模拟正在进行分析。数值模拟是理解天体现象时间演化的重要方法，但目前超级计算机所能进行的数值模拟的准确性有限。东京大学研究生院理学系研究科的藤井通子副教授等人使用独自开发的模拟方法，进行了比以往更准确地了解星星运动的星团形成模拟。结果，由于星星之间的重力相互作用，大质量星星从星团的中心向外缘部弹出时，在聚集在星团中心部分的密度高的分子云的一侧开孔，形成了从星团中心向一个方向扩展的电离区域注3。另外，通过与盖亚卫星注4的观测数据的比较，显示猎户大星云的大质量星的运动与模拟预测的一致。本研究作为“SIRIUS”项目的一部分，使用国立天文台的天文学专用超级计算机“Aterli ii”※进行。今后，期待使用该新开发代码进行更大规模的模拟，明确尚未明确形成过程的大质量星团的形成过程。该研究成果作为m.Fujii et al .“Sirius project.v.formation of foff-center ionized bubbles associated with Orion nebula cluster”，刊登在英国《皇家天文学会杂志》上，日期为2022年6月8日。 ( 2022年6月8日新闻稿)

图1 :通过模拟绘制的正在形成的星团。蓝白色的点表示星星，红绿色的区域表示气体。低温的气体为红色，高温的气体为绿色。 (影像信用:藤井通子、武田隆显、国立天文台四维数字宇宙项目)

【详细情况】星星在分子云这种低温下，在高密度的主要由氢分子构成的星际气体(分子气体)中产生。在分子云中，特别是在由于自身重力而导致气体下降的巨大分子云中，被认为会产生被称为星团的星星集团和质量约为太阳8倍以上的大质量星。星团最初埋在分子云中。但是，在星团中的大质量星，不久就会电离、驱散作为星星原料的分子气体，结束星星的形成。因此，作为大质量星诞生的地方，星团备受瞩目。猎户座大星云被认为是这种过程正在发生的现场。

图2a :猎户座大星云。 θ1 Ori C是猎户大星云中质量最大、最亮的星星，存在于星团的中心。 NU Ori和θ2 Ori A也是大质量星，如图3所示，被认为是通过重力相互作用从星团中心弹出来的星。黄色包围的红色~粉红色部分是充满高温电离氢的电离区域。另一方面，星团左上发黑的部分是低温的氢分子气体聚集的区域(分子云)。分子云中，新的星星正在诞生。（画像クレジット:NASA、欧空局、m. robberto(空间望远镜科学研究所/欧空局)和Teamを哈勃空间望远镜猎户座金库项目改変)

图2b :猎户大星云结构的示意图(左:如图2a所示从正面看到的图，右:截面的预想图)。从观测者的角度看，星团的里侧有分子云，电离区域向近前侧扩展。 θ2 Ori A埋在星团前面的电离区域中，NU Ori埋在比星团靠里的分子云中一半。 (信用:藤井通子)

猎户座大星云拥有含有多个大质量星的星团，在我们看来，虽然星团的深处还残留有分子云，星星正在继续形成，但是近前被大质量星电离的电离区域正在扩大。另外，因为是距离地球比较近的星团，所以其结构正在被仔细调查。在此之前，猎户座大星云中，星团中心最重的星θ1 Ori C被认为形成了近侧的大电离区域。另一方面，通过对近年来被分子云埋没的星团进行模型化的数值模拟研究发现，在星团中心分子气体的密度高，即使产生大质量星也无法立即形成大面积扩散的电离区域，但如果正确引入大质量星在星团内的运动，则可以像在猎户大星云中看到的那样，有可能在星团的外侧形成扩大的电离区域。但是，在分子云中星星逐渐形成的星团形成模拟中，没有验证过这样的过程。在迄今为止的星团形成模拟中，在星球轨道的计算中，使用了通过将在接近遇到的星球之间作用的重力比实际减弱来进行计算，从而降低计算成本的方法。在这样的模拟中，没能捕捉到星星从中心弹出来的样子。本研究在东京大学、神户大学等开发了新的星团形成模拟代码“ASURA+BRIDGE”。在该代码中，通过将星际气体和星星分开一定时间，用不同的积分法进行积分，可以不用在接近遭遇时减弱重力的假设，高速计算星星在星际气体形成的重力场中的运动。使用该代码，在国立天文台运用的天文学专用超级计算机“阿尔泰ⅱ”中执行了星团形成模拟。

比较了在使用“ASURA+BRIDGE”的星团形成模拟中形成的星团(图1，视频)和猎户大星云中心的星团的星的空间分布、速度分布。猎户座大星云星团是距离地球最近的星团之一，经常观测到各个星星的质量、位置和运动以及星际气体的分布。因此，可以与模拟进行详细的比较。结果表明，猎户大星云中大质量星的速度分布与星团中心引出的星分布相同，如星团形成模拟中所示(图3 )。这表明，大质量星产生于星团的中心部，也就是存在大量低温、高密度分子气体作为星的材料的地方，通过星与星之间的重力相互作用从中心部弹出来。超级计算机“阿尔泰ⅱ”中执行了星团形成模拟。

图3 :距离星团5 pc (约16光年)以内，质量约为太阳2倍以上的恒星速度分布。星星的速度，以不受星团重力束缚所需的速度为1。红虚线是模拟形成的星团，蓝线是猎户大星云内的星团。灰色区域表示观测到的速度分布不确定性的范围(使用称为自举法的统计方法推测)。速度大于1的星星是很可能从星团中心弹出来的星星，小于1的星星是被星团重力束缚的星星。 (信用:藤井通子)

实际上，在猎户座大星云中，距离中心稍远的地方存在着大质量星。根据位置天文学卫星盖娅的数据和模拟结果，可以推测出θ2 Ori A这颗星是50万年前从星团中心弹出来的，现在正在返回星团中心的途中(图2b )。另外，还发现NU Ori (图2a上部)也在进行被认为是从星团中心部弹出来的星星的运动。这些从星团中心射出的星星电离出星团外缘部的分子气体，有助于形成不以星团为中心的电离区域。在猎户座大星云中，从观测者的角度来看，电离区域在近前侧开放，而里侧还存在分子云，星星正在继续形成。在星团中心、分子云密度高的部分产生的大质量星，首先在星团中心形成小的电离区域(图4 )。为了使大质量星电离星团的外缘部，需要在复盖该中心的厚厚的分子云中开孔。在这次的模拟中，我们看到了在星团中心产生的大质量星，从观测者来看向前方飞出时，在中心部的高密度分子云上开孔，形成像猎户大星云那样向前方扩展的电离区域的情况。这表明，在猎户大星云这样的星团形成区域的电离过程中，大质量星的运动很重要。

图4 :模拟再现的星团中心剖面图(上段)和猎户座大星云中心区域剖面示意图(下段)。右侧是观测者一侧。时间按照a→b→c的顺序前进。星号表示大质量星，箭头(上段:白，下段黑)表示星的前进方向。大质量星从星团中心向右侧飞出时，覆盖在星团中心附近的分子云上开孔，电离区域向右侧方向扩展。 (信用:藤井通子)

在本研究的模拟中再现的猎户大星云星团是星团中规模最大的星团，对于包含更多星星的大质量星团的形成过程，还没有人成功地再现了每一颗星星的运动。本研究开发的模拟代码“ASURA+BRIDGE”还支持更大规模的模拟，还可以模拟含有猎户座大星云10倍、100倍星星的大质量星团的形成。本研究是“SIRIUS项目”的一环，不仅是星团，甚至包括更多星星的银河也可以再现并模拟各个星星。今后，有望进行更大规模的模拟，明确大质量星团和银河的形成过程，以及大质量星在其中发挥的作用。

【論文】

タイトル：SIRIUS Project. V. Formation of off-center ionized bubbles associated with Orion Nebula Cluster
著者：Michiko S. Fujii, Kohei Hattori, Long Wang, Yutaka Hirai, Jun Kumamoto, Yoshito Shimajiri, Takayuki R. Saitoh
掲載誌：Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
DOI：10.1093/mnras/stac808

【关于本研究中使用的超级计算机】在藤井进行的模拟中，使用了国立天文台的超级计算机“阿尔泰ⅱ”。理论运算性能为3.087 MPU (1MPU为10的15次幂，MPU是表示计算机1秒内能够处理的运算次数的单位)，作为天文学的数值计算专用机是世界上最快的。设在岩手县奥州市的国立天文台水泽校园，被平安时代活跃在这里的英雄阿特鲁伊模仿命名。包含着“勇猛果敢地挑战宇宙之谜”的愿望。 (信贷:国家天文台)

【用语解说】注1 )分子云:主要由氢分子组成的低温下高密度的星际气体。分子云中产生新恒星。注2 )星团:由几十到几百万颗星星通过相互重力束缚而聚集的天体。注3 )电离区域:由大质量星发射的大量电离光子(紫外线区域的光子)电离出星际气体主要成分氢的区域。在图2a的照片中，红色~粉红色的明亮部分。注4 )盖亚卫星: 2013年由欧洲宇宙机构发射的观测器，目的是测量星星的准确位置和速度。现在，对18亿颗以上的星星公开了观测数据。因为不绕地球运转，而是在拉格朗日点进行观测，所以严格来说不是卫星，但在这里为了方便，决定称为卫星。【关于研究项目】研究小组网站: SIRIUS Project (仅限英语) 科研费“用银河模拟探索的星团起源黑洞连星的宇宙史(课题编号: 19H01933 )”、“球状星团的元素组成异常的起源的阐明(课题编号: 21K03614 )”等(课题编号: 20k 14532、21j 00153、21K03614 ) 此外，作为文部科学省“富岳”成果创造加速计划“从宇宙的结构形成和进化到行星表层环境变动的统一描绘的构筑”( JPMXP1020200109 )以及计算基础科学合作据点( JICFuS )的一环实施的。

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【用语解说】注1 )分子云:主要由氢分子组成的低温下高密度的星际气体。分子云中产生新恒星。注2 )星团:由几十到几百万颗星星通过相互重力束缚而聚集的天体。注3 )电离区域:由大质量星发射的大量电离光子(紫外线区域的光子)电离出星际气体主要成分氢的区域。在图2a的照片中，红色~粉红色的明亮部分。注4 )盖亚卫星: 2013年由欧洲宇宙机构发射的观测器，目的是测量星星的准确位置和速度。现在，对18亿颗以上的星星公开了观测数据。因为不绕地球运转，而是在拉格朗日点进行观测，所以严格来说不是卫星，但在这里为了方便，决定称为卫星。【关于研究项目】研究小组网站: SIRIUS Project (仅限英语)
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