Przekrój przez trójwymiarową symulację turbulentnego skupiska wodoru cząsteczkowego. Źródło zdjęcia: Mark Krumholz. Kliknij, aby powiększyć
Astrofizyk z University of California, Berkeley i Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) przedstawili jedną z dwóch konkurencyjnych teorii na temat tego, jak gwiazdy formują się w ogromnych obłokach gazu międzygwiezdnego.
Ten model, który ma mniej niż 10 lat i jest wspierany przez niektórych brytyjskich astronomów, przewiduje, że międzygwiezdne chmury wodoru tworzą grudki, w których tworzy się kilka małych rdzeni - nasion przyszłych gwiazd. Rdzenie te, o średnicy mniejszej niż rok świetlny, zapadają się pod wpływem własnej grawitacji i konkurują o gaz w otaczającej grudce, często zyskując od 10 do 100 razy więcej niż pierwotna masa grudki.
Alternatywny model, często nazywany teorią „zapadania się i fragmentacji grawitacyjnej”, zakłada również, że chmury rozwijają grudki, w których tworzą się jądra protogwiezdne. Ale w tej teorii rdzenie są duże i chociaż mogą się rozpadać na mniejsze części, tworząc układy podwójne lub wielokrotne, zawierają prawie całą masę, jaką kiedykolwiek osiągną.
„Przy akrecji konkurencyjnej rdzenie są ziarnami, które rosną w gwiazdy; na naszym zdjęciu rdzenie zamieniają się w gwiazdy ”- wyjaśnił Chris McKee, profesor fizyki i astronomii na UC Berkeley. „Dotychczasowe obserwacje, które koncentrują się przede wszystkim na obszarach formowania się gwiazd o małej masie, takich jak słońce, są zgodne z naszym modelem i niezgodne z ich modelem.”
„Akrecja konkurencyjna to wielka teoria powstawania gwiazd w Europie, a teraz uważamy ją za martwą teorię” - dodał Richard Klein, adiunkt astronomii na Uniwersytecie Berkeley i badacz w LLNL.
Mark R. Krumholz, obecnie doktorant z Princeton University, McKee i Klein, relacjonują swoje odkrycia w numerze Nature z 17 listopada.
Obie teorie próbują wyjaśnić, w jaki sposób gwiazdy powstają w zimnych obłokach wodoru molekularnego o średnicy prawdopodobnie 100 lat świetlnych i masie 100 000 razy większej niż nasze Słońce. Takie chmury zostały sfotografowane we wspaniałych kolorach przez teleskopy kosmiczne Hubble'a i Spitzera, jednak dynamika zapadania się chmur w jedną lub wiele gwiazd jest daleka od jasności. McKee powiedział, że teoria powstawania gwiazd ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia, w jaki sposób powstają galaktyki i gromady galaktyk.
„Formowanie się gwiazd to bardzo bogaty problem, obejmujący pytania takie jak powstawanie gwiazd takich jak Słońce, dlaczego bardzo duża liczba gwiazd znajduje się w układach podwójnych gwiazd i jak powstają gwiazdy o masie dziesięć do stu razy większej niż masa Słońca” powiedziany. „Bardziej masywne gwiazdy są ważne, ponieważ kiedy wybuchają w supernowej, wytwarzają większość ciężkich pierwiastków, które widzimy w otaczającym nas materiale”.
Model akrecyjnego współzawodnictwa został wykluły pod koniec lat 90. w odpowiedzi na problemy z modelem zapadania się grawitacyjnego, który wydawał się mieć problem z wyjaśnieniem, jak powstają duże gwiazdy. W szczególności teoria nie mogła wyjaśnić, dlaczego intensywne promieniowanie z dużego protostaru nie tylko zdmuchuje zewnętrzne warstwy gwiazdy i zapobiega jej powiększaniu się, nawet jeśli astronomowie odkryli gwiazdy o masie 100 razy większej niż Słońce.
Podczas gdy teoretycy, w tym McKee, Klein i Krumholz, posunęli się dalej w teorii zapadania grawitacyjnego w kierunku wyjaśnienia tego problemu, teoria konkurencyjnej akrecji narasta coraz bardziej w sprzeczności z obserwacjami. Na przykład teoria akrecji przewiduje, że brązowe karły, które są gwiazdami upadającymi, są wyrzucane z kęp i tracą otaczające je dyski gazu i pyłu. Jednak w ubiegłym roku znaleziono liczne brązowe karły z dyskami planetarnymi.
„Konkurencyjni teoretycy akrecji zignorowali te spostrzeżenia” - powiedział Klein. „Ostatecznym sprawdzianem każdej teorii jest to, jak dobrze zgadza się ona z obserwacją, a tutaj teoria zapadania się grawitacji wydaje się być wyraźnym zwycięzcą”.
Model zastosowany przez Krumholza, McKee i Kleina jest superkomputerową symulacją skomplikowanej dynamiki gazu wewnątrz wirującej, burzliwej chmury molekularnego wodoru, gdy dociera on do gwiazdy. Jest to pierwsze badanie wpływu turbulencji na szybkość, z jaką gwiazda akretuje materię podczas ruchu przez chmurę gazową i niszczy teorię „akrecji konkurencyjnej”.
Zatrudniając 256 równoległych procesorów w San Diego Supercomputer Center na UC San Diego, pracowali nad modelem przez prawie dwa tygodnie, aby pokazać, że dokładnie reprezentuje on dynamikę powstawania gwiazd.
„Przez sześć miesięcy pracowaliśmy nad bardzo szczegółowymi symulacjami w wysokiej rozdzielczości, aby rozwinąć tę teorię”, powiedział Klein. „Następnie, mając tę teorię w dłoni, zastosowaliśmy ją do regionów formujących gwiazdy o właściwościach, które można uzyskać z regionu formującego gwiazdy.”
Modele, które były również uruchamiane na superkomputerach w Lawrence Berkeley National Laboratory i LLNL, wykazały, że turbulencje w rdzeniu i otaczającej go kępie uniemożliwiłyby akrecji dodanie dużej masy do protostaru.
„Wykazaliśmy, że z powodu turbulencji gwiazda nie jest w stanie efektywnie przyjąć znacznie większej masy z otaczającej grudki” - powiedział Klein. „W naszej teorii, gdy rdzeń zapadnie się i rozpadnie, gwiazda w zasadzie ma całą masę, jaką kiedykolwiek będzie miała. Jeśli narodzi się w jądrze o niskiej masie, ostatecznie stanie się gwiazdą o niskiej masie. Jeśli rodzi się w jądrze o dużej masie, może stać się gwiazdą o dużej masie. ”
McKee zauważył, że symulacja superkomputera naukowców wskazuje, że akrecja konkurencyjna może dobrze działać w przypadku małych chmur o bardzo niewielkich turbulencjach, ale rzadko, jeśli w ogóle, występują i nie były do tej pory obserwowane. Regiony formowania się gwiazd mają znacznie więcej turbulencji niż zakładano w modelu akrecyjnym, a turbulencja nie zanika szybko, jak zakłada ten model. Niektóre nieznane procesy, być może materia wypływająca z protogwiazd, utrzymują gazy w górze, tak że rdzeń nie zapada się szybko.
„Turbulencje przeciwstawiają się grawitacji; bez niej chmura molekularna zapadłaby się znacznie szybciej niż zaobserwowano ”- powiedział Klein. „Obie teorie zakładają istnienie turbulencji. Kluczem jest to, że zachodzą procesy, w których zaczynają się formować gwiazdy, które utrzymują turbulencje przy życiu i zapobiegają ich rozkładowi. Konkurencyjny model akrecji nie ma żadnego sposobu na uwzględnienie tego w obliczeniach, co oznacza, że nie modelują prawdziwych regionów formujących gwiazdy ”.
Klein, McKee i Krumholz nadal dopracowują swój model, aby wyjaśnić, w jaki sposób promieniowanie z dużych protogwiazd ucieka bez zdmuchiwania całego gazu. Na przykład wykazali, że część promieniowania może wydostawać się przez wnęki utworzone przez strumienie, które obserwują, jak wychodzą z biegunów wielu formujących się gwiazd. McKee powiedział, że na wiele prognoz tej teorii mogą odpowiedzieć nowe i większe obecnie budowane teleskopy, w szczególności czuły teleskop ALMA o wysokiej rozdzielczości budowany w Chile przez konsorcjum amerykańskich, europejskich i japońskich astronomów.
Prace były wspierane przez National Aeronautics and Space Administration, National Science Foundation i Department of Energy.
Oryginalne źródło: UC Berkeley News Release
