视觉再现：一团气体是如何变成一个星团的？

科学家用超级计算机还原恒星诞生过程。

Journey to the Stars(Bonus Track) Roger Subirana - Symbiphonic

模拟中的气体云质量是太阳的数百万倍。Northwestern University / UT Austin

想知道恒星是怎么诞生的？光看理论可能还不够。所谓“百闻不如一见”。

最近美国西北大学的科学家就做了这么一件事，他们动用德克萨斯高级计算中心的超级计算机，用3个月时间，在一段视频中模拟出了一团星云变成一团恒星的完整过程。

之所以需要这么长时间，因为这样的模拟并不仅仅是动画的呈现，而是要符合天体物理学家对恒星诞生过程的各种理论设定。这样就需要在各个层面上动用大量真实的数据，进行大量的计算。

为此这些科学家设计了一个新的计算框架，并将其命名为“炼星（Starforge）”。“炼星”能够还原气体环境中恒星的形成过程，并帮助人们解开这一过程中的许多未解之谜。比如为什么恒星的形成过程如此缓慢而低效，是什么决定了恒星的质量，以及为什么恒星总是于倾向于以星团的方式形成等。

“炼星”不但能够模拟比以往质量高出100倍的星云演化过程，还能够让科学家在此过程中检验恒星的形成、演化和动力学模型，并将许多细节，如恒星的喷流、辐射、星风和邻近超新星爆发等因素考虑在内。研究人员表示，研究恒星的演化涉及到多种物理学进程，因此这样的模拟能够让人们直接回答一些以前不明确的基础问题。

恒星的演化过程在时间上是以百万年计的。它们需要非常漫长的时间，才能从云团变成原恒星。而原恒星还不能算是真正的恒星，它们还需要继续等待，才能开始核聚变。因此我们针对恒星的观测实际上只是观测到了它们漫长生命历程在时间维度上的一个断面，我们需要精确的模拟，来还原这个完整的过程。

这样的模拟是极其耗费资源和时间的。德克萨斯高级计算中心的超级计算机在全球最大的超级计算机之列，即便这么强大的计算机，也用了3个月时间才完成这次模拟。当然成就也是显著的。“炼星”凭其庞大的数据体量和计算复杂性，成为了有史以来最精确的恒星演化计算模型。

研究人员表示，以往的模型只能反映小片云团中恒星的演化，因此会把许多能够影响恒星诞生的因素遗漏掉。而“炼星”则不同，它有更加宏观的视野，和更为丰富的细节。

模拟中的时间单位为百万年（Myr），空间单位为秒差距（pc）。1个秒差距约等于3.26光年。Northwestern University / UT Austin

模拟开始于一片质量为太阳数百万倍的气体云。随着时间的推移，云中的气体开始发生变化。它们开始自旋，形成一些看起来仍然较大的结构，然后，这些结构开始分裂。在此过程中，一些小型的气体团块在引力的作用下幸存下来，并在持久的摩擦效应中变得越来越热，最终变成恒星。恒星诞生过程中的高潮一幕，发生在两条巨大的气体喷流，穿透星云的包裹，从刚刚形成的恒星两极高速射出之时。

天体物理学家通过这样的模拟，可以认识气体喷流在决定恒星质量方面所扮演的角色。模拟结果显示，当我们不考虑喷流的因素时，恒星的质量会比正常值偏大，动辄可达太阳的10倍以上。而当我们考虑喷流因素时，恒星的质量回归到了正常水平。

喷流能够驱散流向恒星的气体，因而可以控制恒星变得更大。虽然理论上我们能够理解这一点，但模拟让我们有了更深的印象。

恒星是黑暗宇宙的光明使者，难以计数的恒星组成了星系，也为生命的诞生提供了物质基础。认识恒星的诞生，是我们认识宇宙，乃至认识自身过程中的重要一环。

塌缩的气体内核，形成了恒星，并在其两极产生了两条巨大的气体喷流。Northwestern University / UT Austin

参考

Stunning simulation of stars being born is most realistic ever

https://news.northwestern.edu/stories/2021/05/stunning-simulation-of-stars-being-born-is-most-realistic-ever/&fj=1