银河考古学：超级计算机挖掘第一星化石

“银河考古学”是指第二代恒星的研究，了解第一颗星的物理特征，这在大爆炸后几百万年消失了。一种计算物理学研究，为第一次无金属第一恒星的微弱超新星，产生碳的碳化丰度模式。在SuperNovae爆炸的盒子中的盒子中有0.41,15.22和291.6万年，13个太阳能祖细胞模型的密度，温度和碳丰度。

没有人找到了第一颗星。

他们假设在氢气，氦气和痕量光金属的原始气体中，大爆炸后形成了大约1亿年。这些气体冷却，坍塌，并点燃恒定的恒星比我们的太阳更大的圆顶。明星更大，他们烧坏了。第一颗星可能只生活了几百万年，宇宙时代的桶下降，大约是138亿年。他们不太可能被观察到，失去了时间的迷雾。

由于无金属的第一颗恒星坍塌并爆炸到超新星中，它们伪造了较重的元素，例如碳的碳，种植下一代恒星。这种二颗星的一种称为碳增强的金属差星。他们就像是天体物理学家的化石。它们的作品反映了从第一颗恒星的含重元素的核酸异化或融合。

“我们可以从间接测量中获得结果，以获得来自金属贫乏明星的元素丰富的无金属恒星的群众分布，”格鲁吉亚物理学学院的博士生科学院后博士生研究员Gen Chiaki说技术。

形成周期显示的第一星，或Pop III星，早期宇宙中的碳，氧气和铁的主要来源。在盒子III星形形成（Redshift Z = 12.1）之前，侧面1kpc在密度最大值最大值的盒子中，密度，温度和H2的密度，温度和H2大量的暗物质Minihalo星形成区域。

Chiaki是一项研究的领先作者，发表于9月2020日发布的皇家天文社会的月刊。该研究为第一次采用无金属第一恒星的微弱超新星，通过喷射比特的混合和回退产生碳增强的丰度图案。

他们的模拟也显示出碳质晶粒播种产生的煤气云的碎片，导致形成低质量的“吉茶金属贫困”恒星，可以在今日存活，并可能在未来的观察中找到。

“我们发现这些恒星的铁含量非常低，与观察到的碳增强的恒星有亿万的太阳丰富的铁。但是，我们可以看到气体云的碎片。这表明低质量恒星在低铁丰度方案中形成。这些星星尚未观察到。我们的研究为我们提供了对第一颗星的形成的理论洞察力，“Chiaki说。

智慧和Chiaki的调查是一个名为“银河考古”的领域的一部分。他们比较它来寻找地下的文物，讲述了长期以来的社会的性格。对于天体物理学家来说，可以从他们的化石遗骸中透露长消失的恒星的性格。

“我们看不到第一代明星，”学习合作社John Wise表示，副教授也在格鲁吉亚理工学院物理学学院的相对论天体物理学中心。“因此，重要的是，实际上从早期宇宙中看待这些活化石，因为他们通过从第一颗恒星中的超新星生产的化学物质来拥有整个第一颗星的指纹。”

动画显示了来自50个太阳能群众的第一代星星的超新星的碳和铁的浓缩过程。四面板显示密度，温度，碳和铁丰度。首先，金属以几乎球形的方式分散在环境区域中（在爆炸后小于14 MYR）。然后，金属在水平方向上膨胀，而膨胀在垂直方向上停止。最终，金属再次返回中心区域，其中下一代恒星形式。

“这些古老的恒星有一些无金属恒星的核心的指纹。“我们为我们寻求早期宇宙中发生的核心机制是一个提示，”Chiaki说。

“这就是我们的模拟发挥作用的地方。跑了模拟后，你可以看一部短片，看看金属来自哪里以及第一颗星和他们的超新星如何影响直到现在的那一天的这些化石，“明智说。

科学家首先建模了他们的第一星，称为人口III或POP III星，并耗尽了三种不同的模拟，其质量在13.5,50和80个太阳能群体。模拟在其主要序列期间辐射转移求助，然后在它死亡并走过期后。最后一步是通过涉及100个反应的化学网络和50种如一氧化碳和水的化学网络涌出的分子云的崩溃。

大多数仿真在格鲁吉亚技术速度集群上运行。他们还由国家科学基金会（NSF） - 特权的极端科学和工程发现环境（XSEDE）获得计算机分配。Stampede2在德克萨斯高级计算中心（TACC）和San Diego超级计算机中心（SDSC）的彗星通过XSED分配运行一些主要序列辐射传输模拟。

“在TACC的SDSC和Stampede2处的XSEDE系统彗星非常快速，并且具有大存储系统。他们非常适合进行我们巨大的数值模拟，“Chiaki说。

“因为Stampede2非常大，尽管它必须容纳数千个研究人员，但它对我们来说仍然是一个宝贵的资源，”明智说。“我们不能只是在佐治亚理工大学的当地机器上进行模拟。”

Chiaki表示，他对SDSC的彗星上的快速队列也很满意。“在彗星上，我可以在提交工作后立即运行模拟，”他说。

Wise一直在几十多次使用XSEDE系统分配，当他是一个邮政编码时开始。“没有XSEDE，我无法完成我的研究。”

祖先模型的密度，温度和碳丰度，具有质量MPR = 13太阳能质量在TSN = 0.41 myR（柱A），15.22 myR（柱B）和超级新加坡后的29.16 myr（柱C）一个盒子里的爆炸，一个侧面2 kpc以mh的质心为中心。

XSEDE还为研究人员提供了专业知识，通过扩展协作支持服务（ECS）计划充分利用其超级计算机分配。几年前智慧召回使用ECSS，以提高恩佐自适应网格精炼模拟代码的性能，他仍然用来解决恒星辐射和超新星的辐射转移。

“通过ECSS，我在TACC的Lars Koesterke工作，我发现他曾经在天体物理学中工作过。他与我一起工作，以提高辐射运输求解器的50％。他帮助我配置了代码来确定哪个循环采取最多的时间，以及如何通过重新排序一些循环来加速它。聪明说，我不认为我会发现没有他的帮助，没有他的帮助。

Wise还获得了TACC的NSF资助的Frontera系统，这是世界上最快的学术超级计算机的时间。“我们还没有在Frontera完全蒸汽。但我们期待着使用它，因为这是一个更大，更有力的资源。“

明智的补充：“我们都在努力下一代恩佐。我们称之为Enzo-e，E for ExaScale。这是SAN Diego超级计算机中心的计算机科学家James Bordner的完全重新编写Enzo。到目前为止，它几乎完美地缩放到256,000个核心。这是在NSF的蓝色水域上运行。我认为他在Frontera上缩放了相同的数量，但Frontera更大，所以我想看到它可以走多远。“

他说，缺点是，由于代码是新的，因此它还没有他们需要的所有物理。“我们在那里大约三分之二，”明智说。

NSF资助的XSEDE授予科学家在San Diego超级计算机中心（中心）的德克萨斯高级计算中心（左侧）和彗星超级计算机上的StupeDe2超级计算机。作者利用了格鲁吉亚技术步伐蜂巢集群（右）。

他说，他还希望能够在SDSC获得新的广告系统，这将在明年退休后取代彗星。“扩展超过了每个节点的计算核心，而不是任何其他XSEDE资源，希望通过减少核心之间的通信时间来加速我们的模拟，”明智说。

根据Chiaki的说法，研究中的下一步是分支超出古代恒星的碳功能。“我们希望扩大对其他类型的恒星和具有更大模拟的一般元素的兴趣，”他说。

Chiaki说：“本研究的目的是了解元素的起源，如碳，氧气和钙。这些元素通过星际培养基和星星之间的重复物质循环集中。我们的身体和我们的星球由碳和氧气，氮气和钙制成。我们的研究非常重要，可以帮助理解我们人类的这些元素的起源。“

参考：“播种第二颗星 - II。CEMP明星形成丰富的微弱超新星“由Gen Chiaki，John H Wise，Stefania Marassi，Raffaella Schneider，Marco Limongi和Alessandro Chieffi，24日，7月24日，皇家天文协会的每月通知.DOI：
10.1093 / mnras / staa2144

研究“播种了第二颗星 - II。CEMP明星形成丰富的淡淡神道，“发表于9月2020年9月的皇家天文社会的月刊。作者是Gen Chiaki和John H. Wise，佐治亚理工学院; Stefania Marassi和Raffaella Schneider，Universita`di Roma; Marco Limongi，Osservatorio Astronomico Di Roma; Alessandro Chieffi，Istituto Nazionale di Fisica Unhente - Sezione di Perugia。GC得到了日本促进科学协会（JSP）的研究奖学金支持。JHW由国家科学基金会GRANTS AST-1614333和OAC-1835213以及NASA Grants NNX17AG23G和80NSSC20K0520提供支持。在COMET和Stampede2资源上使用NSF的XSED分配AST-120046和佐治亚技术步伐计算系统进行了模拟。