超級電腦模擬破解宇宙初代恆星的誕生質量之謎
中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，日期：2024年4月1日
中央研究院天文及天文物理研究所的研究助理湯景堯和助研究員陳科榮博士，對於破解初代星誕生質量的問題取得重大進展。他們使用美國柏克萊國家實驗室的強大超級電腦，創建高解析度的原始星雲三維流體力學模擬，並首次加入超音速紊流效應，研究成果刊登在最新一期的《皇家天文學會月報》。
在宇宙誕生初期，星際空間中只有氫和氦元素存在，維持生命的關鍵元素如碳和氧還未形成。大霹靂後約2億年，初代星（又被稱為第三星族Population III，簡稱Pop III）開始形成。這些初代星在它們的核心進行核融合反應，啟動了更重元素的生成。當這些恆星到達生命週期的終點，其中一些會經歷超新星爆炸，將新生成的元素散佈到周圍，然後觸發了後代恆星與行星的形成，也造就現今的地球與生命。
初代超新星類型主要取決於初代星在結束時的質量，不同類型的超新星也會產生不同的化學元素豐度。研究指出，初代超新星爆炸之後會產生極低金屬豐度的恆星（Extremely Metal-Poor Star，簡稱EMP star）。由於這些EMP恆星的質量可能小於一個太陽質量，其生命週期長到接近宇宙年齡，有可能存活至今，從這些恆星的金屬豐度可以推測初代超新星的種類與初代星的質量。目前觀測資料顯示，EMP恆星的金屬豐度推測出初代星的質量範圍為12到60個太陽質量。然而，先前的宇宙學模擬認為初代星的質量範圍約為50到1000個太陽質量。模擬和觀測之間的巨大差異，讓天文物理學家困惑了十多年。
湯景堯和陳科榮博士使用美國柏克萊國家實驗室的超級電腦，創建高解析度的原始星雲三維流體力學模擬，並首次加入超音速紊流效應。結果顯示，原始星雲內部的超音速紊流，能有效地將整塊星雲攪成不均勻的塊狀結構，這些塊狀雲氣具有約22到175個太陽質量的緻密核心，最後在重力引導下將形成質量約8到58個太陽質量的初代星，這個模擬結果與EMP恆星觀測結果相符。
研究進一步發現，如果把紊流的強度減弱或降低模擬的解析度，結果會與先前的宇宙學模擬一致。這個研究首次證明紊流效應在初代星形成中扮演的重要角色，只有模擬能夠解析小尺度紊流的結構，才能得到正確的初代星理論質量，成功解釋之前模擬和觀測的差異原因，為初代星形成的理論奠定堅實基礎。
初代星形成時的宇宙結構圖。灰色顯示網狀的暗物質分佈，彩色的亮點代表不同質量的初代星。圖片來源：中研院天文所/陳科榮
初代超新星爆炸時會將內部形成的重元素拋送至星際介質中，污染本來只含氫與氦的原始氣體，並對之後的恆星形成產生重大影響。圖片來源：中研院天文所/陳科榮
在早期宇宙結構形成的過程中，氣體因重力的吸積在原始星雲內形成強烈的紊流（見圖中的絲狀結構）。這些紊流攪動著星雲並形成高密度的塊狀結構，最終因重力塌縮而產生初代星。圖片來源：中研院天文所/湯景堯
更多資訊：
本篇論文發表於2024年3月出版的皇家天文學會月報（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society），篇名：Clumpy Structures within the Turbulent Primordial Cloud
相關連結：
爆炸小組: https://spes31415.wixsite.com/cosmicexplosion
媒體聯絡：
中央研究院天文及天文物理研究所助研究員陳科榮
Email: kjchen@asiaa.sinica.edu.tw Tel: (02)2366-5457