據(jù)推測，它們是在大爆炸之后大約1億年形成的，它是由氫氣，氦氣和微量輕金屬的原始?xì)怏w引起的普遍黑暗中形成的。這些氣體冷卻，分解并點燃成恒星，其質(zhì)量高達(dá)太陽的1000倍。星星越大，燃盡越快。在第一批恒星可能只活了幾百萬年，在宇宙的年齡是杯水車薪，在約138十億年。他們幾乎不可能被觀察到，迷失在時間的迷霧中。

當(dāng)不含金屬的第一顆恒星坍塌并爆炸成超新星時，它們鍛造了更重的元素，例如碳，它們?yōu)橄乱淮阈翘峁┝朔N子。這些第二顆恒星中的一種稱為碳增強的貧金屬恒星。他們就像是天文學(xué)家的化石。它們的組成反映了第一批恒星中較重元素的核合成或融合。

“我們可以通過間接測量獲得結(jié)果，從而從貧金屬恒星的元素豐度中獲取無金屬恒星的質(zhì)量分布，”佐治亞州物理學(xué)院相對論天體物理學(xué)中心博士后Gen Chiaki說道?？萍?/p>

Chiaki是一項研究的主要作者，該研究發(fā)表在2020年9月的“皇家天文學(xué)會月刊”中。該研究首次模擬了不含金屬的第一顆恒星的微弱超新星，該超新星通過噴射的鉆頭的混合和回落產(chǎn)生了碳增強的豐度模式。

他們的模擬還顯示，碳質(zhì)顆粒播種了產(chǎn)生的氣體云的碎片，導(dǎo)致形成了低質(zhì)量的“貧金屬”恒星，這些恒星可以生存到今天，并且有可能在未來的觀測中發(fā)現(xiàn)。

“我們發(fā)現(xiàn)，與觀察到的碳增強的恒星相比，這些恒星具有非常低的鐵含量，這些恒星具有數(shù)十億分之十的太陽鐵。但是，我們可以看到氣體云的碎片。這表明低質(zhì)量恒星在鐵的豐度低。這種恒星尚未被觀察到。我們的研究為我們提供了關(guān)于第一顆恒星形成的理論見解。”

Wise和Chiaki的研究屬于“銀河考古學(xué)”領(lǐng)域的一部分。他們將其比作是尋找地下文物，這些文物講述了已久的社會特征。對于天體物理學(xué)家而言，長石恒星的特征可以從其化石遺跡中揭示出來。

研究合著者約翰·懷斯(John Wise)說：“我們看不到第一代恒星，”佐治亞理工學(xué)院物理學(xué)院相對論天體物理學(xué)中心副教授。“因此，重要的是實際觀察早期宇宙中的這些活化石，因為它們具有通過第一批恒星產(chǎn)生的超新星產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)遍布整個第一批恒星的指紋。”

千秋說：“這些古老的恒星具有不含金屬的恒星核合成的一些指紋。這對于我們尋求發(fā)生在早期宇宙中的核合成機制有一個提示。”

“這是我們的模擬起作用的地方，可以看到這種情況。運行模擬后，您可以觀看其中的短片，以了解金屬的來源以及首批恒星及其超新星實際上如何影響著這些化石，這些化石一直存在到最后。今天。”懷斯說。

科學(xué)家首先模擬了第一顆恒星III或Pop III的形成，并進(jìn)行了三種不同的模擬，分別對應(yīng)于其質(zhì)量分別為13.5、50和80太陽質(zhì)量。模擬解決了輻射在其主要序列中的轉(zhuǎn)移，然后在死亡并變?yōu)槌滦侵?。最后一步是發(fā)展由超新星噴出的分子云的塌陷，該分子云涉及由100個反應(yīng)和50種物種(例如一氧化碳和水)組成的化學(xué)網(wǎng)絡(luò)。

大多數(shù)模擬都在Georgia Tech PACE集群上運行。他們還獲得了美國國家科學(xué)基金會(NSF)資助的極限科學(xué)和工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境(XSEDE)的計算機分配。德克薩斯高級計算中心(TACC)的Stampede2和圣地亞哥超級計算機中心(SDSC)的Comet通過XSEDE分配運行了一些主要序列輻射傳輸模擬。

Chiaki說：“ SDSC的XSEDE系統(tǒng)Comet和TACC的Stampede2速度非?？?，并且具有大型存儲系統(tǒng)。它們非常適合進(jìn)行大量的數(shù)值模擬，” Chiaki說。

Wise說：“因為Stampede2太大了，盡管它必須容納成千上萬的研究人員，但對我們來說仍然是寶貴的資源。” “我們不能只是在佐治亞理工學(xué)院的本地機器上運行仿真。”

Chiaki表示，他也對SDSC上Comet的快速排隊感到滿意。他說：“在提交任務(wù)后，我可以立即在Comet上運行模擬。”

Wise從使用博士后開始就使用XSEDE系統(tǒng)分配已有十多年了。“沒有XSEDE，我無法完成研究。”

XSEDE還通過擴展的協(xié)作支持服務(wù)(ECSS)計劃為研究人員提供了專門知識，以充分利用他們的超級計算機分配優(yōu)勢。Wise回憶起幾年前使用ECSS來改善Enzo自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化仿真代碼的性能的情況，他仍然將其用于解決恒星輻射和超新星的輻射傳遞。

“通過ECSS，我與TACC的Lars Koesterke一起工作，發(fā)現(xiàn)他曾經(jīng)在天體物理學(xué)領(lǐng)域工作。他與我一起將輻射傳輸求解器的性能提高了約50%。他幫助我確定了代碼的準(zhǔn)確性哪個循環(huán)花費的時間最多，以及如何通過重新排序一些循環(huán)來加快速度。如果沒有他的幫助，我認(rèn)為我不會發(fā)現(xiàn)這種變化。”

Wise還獲得了TACC NSF資助的Frontera系統(tǒng)(世界上最快的學(xué)術(shù)超級計算機)的獎勵。“我們還沒有在Frontera上全力以赴。但是我們期待使用它，因為它甚至是更大，更強大的資源。”

懷斯補充說：“我們都在致力于下一代Enzo。我們將其稱為百億分之一Enzo-E，E。這是圣地亞哥超級計算機中心的計算機科學(xué)家James Bordner完全重寫的Enzo。到目前為止，它幾乎可以完美地擴展到256,000個內(nèi)核。這是在NSF的Blue Waters上運行的。我認(rèn)為他在Frontera上將其縮放到相同的數(shù)量，但是Frontera更大，所以我想知道它能走多遠(yuǎn)。”

他說，不利的一面是，由于該代碼是新代碼，因此尚不具備所需的全部物理功能。懷斯說：“我們大約要走三分之二。”

他說，他也希望能夠在SDSC上使用新的Expanse系統(tǒng)，它將在明年左右退役后取代Comet。Wise說：“與每個其他XSEDE資源相比，Expanse在每個節(jié)點上的計算核心數(shù)量增加了一倍以上，這有望通過減少核心之間的通信時間來加快我們的仿真速度。”

Chiaki認(rèn)為，研究的下一步是拓展遠(yuǎn)古恒星的碳特征。他說：“我們希望通過更大的模擬將興趣擴展到其他類型的恒星和一般元素上。”

Chiaki說：“這項研究的目的是了解碳，氧和鈣等元素的起源。這些元素通過星際介質(zhì)和恒星之間的重復(fù)物質(zhì)循環(huán)而集中。我們的身體和我們的星球是由碳，氧，氮和鈣。我們的研究對于幫助理解人類所構(gòu)成的這些元素的起源非常重要。”