DRAGON球状星团模拟:百万颗恒星、黑洞与引力波

[ 录入者:Melipal | 时间:2016-03-14 08:40:25 | 作者:Melipal | 来源:MPA | 浏览:1699次 ]

原文标题:The DRAGON globular cluster simulations: a million stars, black holes and gravitational waves

作者:Thorsten Naab, Long Wang, Rainer Spurzem and Riko Schadow for the DRAGON collaboration

原文来自:Max-Planck-Institut fur Astrophysik

Posted: 2016. 3. 1

编译:Melipal   审校:数星星的猫(编译版权所有,未经许可请勿转载。)

一个由欧洲和中国专家组成的国际合作组在马克斯·普朗克计算与数据处理中心的高性能GPU集群上第一次进行了涉及100万颗恒星的球状星团模拟。这一模拟是迄今规模最大也是最为真实的,不仅以空前的精度再现了球状星团内观测到的特性,还为黑洞的暗域带来了曙光。计算机模拟星生成了堪与哈勃空间望远镜观测结果比肩的高质量合成数据。它还预言了拥有单个黑洞与双黑洞的核心团。最近探测到的引力波信号可能就是来自某个球状星团中心的双黑洞并合事件的。

球状星团着实是谜一般的天体。它们由数十万颗明亮的恒星及其遗迹组成,却被束缚在了数十秒差距(最大相当于100光年)的空间内。它们是宇宙中的束缚恒星系统。它们的中心恒星密度可以比太阳附近的恒星密度高100万倍。大约有150个球状星团环绕着银河系运行,不过质量更大的星系可以拥有10000个受引力束缚的球状星团。由于星团的成员星几乎是在同时形成的,只是初始质量不同,它们是理想的恒星动力学和恒星演化实验室。

模拟球状星团的RGB图像。(图片提供:MPA)

然而球状星团的动力学演化非常复杂。与星系不同,这里的恒星默读非常高,恒星可以经由近距离引力交会发生相互作用,甚至还可能彼此实际碰撞。由于这样的相互作用,星团中的密近束缚双星要比普通的星系场星多得多。更且在质量分层过程中,质量更大的恒星会沉入星团的中心。

单星与双星的生命周期让球状星团整体的演化变得进一步复杂了。在早期阶段,大质量恒星(质量大于太阳8倍)在星风阶段遭到了明显的质量损失,并作为核心坍缩型超新星爆发了结一生。这些很久之前即已逝去的恒星现在是中子星或黑洞,后者的质量介于10到50倍太阳之间。使用普通的电磁波观测看不到它们,直到最近,我们还只能间接探测黑洞的存在。

球状星团的辐射由区区数百颗非常明亮的红巨星主导。系统中的大多数其他恒星质量要比太阳小得多,光度很低。这就是在观测球状星团星族时哈勃空间望远镜是首选的缘故。使用哈勃获得的颜色-星等图(CMD)因为测光误差非常小(由此可以绘制出清晰的结构,如主序或巨星和白矮星支)且灵敏度极高,有着较地面仪器高得多的质量。哈勃第一次以高质量观测到了低光度白矮星特征以及低质量主序。

图1:上:马克斯·普朗克计算与数据处理中心运营的水蛇座(Hydra)超级计算机(每秒1.7百万亿次浮点运算)装备有676台开普勒K20 GPGPU加速器(每秒1百万亿次浮点运算,左下)。这台超级计算机进行了DRAGON模拟。右下:北京市中国科学院国家天文台信息与计算中心的老虎超级计算机(每秒96万亿次浮点运算)装备有64台开普勒K20 GPGPU加速器。(图片提供:MPA/NAO)

长久以来,利用自洽的数值模拟追溯大质量球状星团的演化都是一个挑战。由马克斯·普朗克天体物理所、中国科学院以及北京大学的专家领导的国际小组第一次实现了迄今最真实的球状星团演化模拟,初始条件是100万颗环绕着银河系潮汐场运行的恒星,它们的轨道周期约为120亿年。这项作为DRAGON国际合作计划的一部分在马克斯·普朗克计算与数据处理中心(MPCDF)运行的模拟为球状星团的建模树立了新的标准。

中国科学院国家天文台信息与计算中心的老虎超级计算机模拟软件的显著改进让这样的模拟变成了可能。模拟代码有着绝佳的并行性能,同时使用了多结点并行处理、单结点OpenMP多线程处理以及通用开普勒K20图形卡加速(GPGPU),来计算恒星之间的引力相互作用。典型的DRAGON星团模拟需要使用水蛇座计算机8个结点的160个CPU核心以及大约32k的GPU线程,连续运行1年左右的时间(8000小时)。

图2:一个模拟球状星团(中图覆盖了大约60秒差距的范围)的模拟彩色(BVI)图,此时星团已经演化了120亿年。周围各图凸显了不同的恒星类型,左上起:主序星(MS)、主导星团辐射的红巨星(RG)、不可见的黑洞(BH)、双星(Binary)、白矮星(WD)以及渐进巨星支恒星(AGB)。在这张模拟图中,白矮星(约有8万颗)是解析不出来的,因此不可见。黑洞(最右图)在中心形成了一个致密的子系统(双黑洞以红色表示)。(图片提供:MPA)

现在人们可以以极清晰的细节来跟踪球状星团的星族在各个动力学与恒星演化阶段的变化了,其中包括恒星在银河系潮汐场中的损失。在很宽质量范围内(太阳质量的0.08到100倍)的单星与双星各自的主要演化阶段都可以被追溯出来(参见图2)。DRAGON模拟还被用于绘制类似哈勃观测结果的合成颜色-星等图(CMD,参见图3)

在DRAGON模拟中,黑洞(质量介于太阳10到50倍之间的大质量恒星留下的残余)在系统中心形成了致密的核心团(图2中白色背景的小图)。在经典天文学中,这样的黑洞团只能通过对明亮(可见)的恒星施加的引力影响被间接观测到。数十颗黑洞形成了双黑洞系统,并经由引力辐射损失能量,我们的模拟涵盖了这一过程。

图3:HST在球状星团NGC 4372中测得的颜色-星等图与两个模拟星团的比较。为了模拟出观测结果,我们要假设同一个河内球状星团的典型距离,还要给出哈勃空间望远镜搭载的照相机使用COCOA时的参数。(图片提供:MPA)

最近LIGO小组探测到了来自一起双黑洞并合事件的引力波辐射(黑洞质量分别是太阳的26倍和29倍,距离410百万秒差距,参见MPG的新闻报道)。我们的DRAGON星系团也可以生成参数类似的双黑洞并合,每个星系团中大约有10起这样的事件。因此我们预计在未来数月或数年内,我们将观测到更多的同类事件。我们的模型给出的更详尽的引力波事件的预言正在计算中。它不仅取决于星团的内部演化,还取决于宇宙中球状星团的数量与分布。不过我们预言,与DRAGON星团类似的球状星团是最近观测到的壮观引力波事件的可能来源。

图4:图2描绘的恒星成分的累积质量分布。系统的中心由黑洞占据(黑线),而分布更为广泛的低质量主序星(浅蓝线)占据了总质量的多数。图中圆点表示相应成分的半质量半径。(图片提供:MPA)

现在探测到的黑洞并合事件可能只是冰山一角而已。模拟星团中心区域的动力学演化由数百个(如果不是数千个的话)恒星级单黑洞或双黑洞主导。未来的研究将考察在大多数球状星团中心是存在这样的恒星质量黑洞团,还是存在预言中的中等质量黑洞。

(全文完)

Tags:球状星团模拟

责任编辑:Melipal

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