Як утворюються зірки?
Ми знаємо, що вони утворюються з масивних конструкцій, званих молекулярні хмари , які самі утворюють з Міжзоряне середовище (ISM). Але як і чому утворюються певні типи зірок? Чому в деяких ситуаціях утворюється така зірка, як наше Сонце, проти червоного карлика чи синього гіганта?
Це одне з центральних питань астрономії. Це також дуже складний.
ISM — це речовина та енергія між сонячними системами в галактиці. Зореутворення починається, коли ISM розпадається на величезні хмари газу, які називаються молекулярними хмарами, які є попередниками зірок. У вчених виникають запитання щодо ролі, яку відіграє турбулентність у цій фрагментації, і як вона впливає на типи зірок, які в кінцевому підсумку утворюються.
ISM має складні відносини з зірками. Після формування зірок вони в кінцевому підсумку повертають матеріал до ISM через наднові , планетарні туманності , і зоряні вітри . Цей зв’язок між зірками та ISM визначає швидкість утворення зірок у галактиці та її тривалість життя.
Центральну роль у всьому цьому відіграє турбулентність. Нове дослідження представляє моделювання газу ISM і того, як він утворює молекулярні хмари. Автори нового дослідження хотіли краще зрозуміти це, і вони провели найбільше суперкомп’ютерне моделювання з найбільшою роздільною здатністю цієї турбулентності.
Їхня стаття має назву « Звуковий масштаб, показаний найбільшим у світі моделюванням надзвукової турбулентності ». Перший автор — Крістоф Федеррат, професор Інституту теоретичної астрофізики (ITA) Центру астрономії Гейдельберзького університету. Дослідження опубліковано в Nature Astronomy.
Турбулентність в ISM не тільки визначає швидкість зореутворення; він визначає типи зірок, що утворюються. У цьому сенсі це також впливає на формування планет, і чи можуть ці планети бути чимось схожими на Землю. Отже, вивчення турбулентності не є якимось езотеричним дотичним в астрономії. Це безпосередньо пов’язано з планетами, навіть із життям.
ISM не рівномірно розподілений у просторі між зірками. Він розподіляється подібно до того, як дим піднімається, опускається і тече через турбулентність. За словами авторів дослідження, турбулентність є ключем до розуміння того, як газ розпадається.
На малюнку показаний розріз через куб моделювання турбулентності. Кольори показують контраст щільності відносно середньої густини газу. Його турбулентна структура чітко впізнається. Зокрема, виникають численні ударні фронти, які можна розпізнати за різкими змінами щільності від високої щільності (світло-оранжевий) до низької щільності (темно-фіолетовий). Це особливо чітко видно у збільшеному розділі. (Джерело: C. Federrath) Авторство зображень: Federrath et al, 2021.
Існує подібність між турбулентністю в ISM і турбулентністю в хмарах диму. Великомасштабна турбулентність в обох випадках має тенденцію перейти до менш масштабної турбулентності. Але порівняння не ідеальне: ISM надзвичайно тонкий, з лише від 1 до 100 частинок на квадратний сантиметр об’єму. Очевидно, що дим набагато щільніше.
У тонкому ISM турбулентна енергія падає до меншого масштабу, ніж у диму, не тільки через те, наскільки він тонкий, але й тому, що ISM має дуже низьку в’язкість. Згодом цей каскад зменшує швидкість турбулентного руху через поріг від надзвукової до звукової.
Коли турбулентність перетинає цей поріг, газова хмара змінюється з турбулентної на гравітаційну. Коли і як це станеться, визначає розмір щільних ядер молекулярних хмар. І саме щільні ядра призводять до утворення зірок.
Область, показана на цьому зображенні, відома як Полярний спалах, область пилу та газу в сузір’ї Малої Ведмедиці, на відстані 490 світлових років від Землі. Він був знятий інфрачервоною космічної обсерваторією Herschel ЄКА і показаний у вигляді кольорового композиту. На ньому видно кілька заплутаних міжзоряних ниток, які простягаються в космосі на десятки світлових років. Усередині ниток вбудовані більш щільні ділянки матеріалу, які в майбутньому можуть стати зірками. Федеррат і його колеги порівняли властивості цих ниток і властивостей інших молекулярних хмарних областей зі своїми моделюваннями і знайшли дуже хорошу відповідність. (Джерело: ESA та консорціуми SPIRE & PACS, Ph. André (CEA Saclay) для Консорціуму Gould’s Belt Survey Key Program Consortium і A. Abergel (IAS Orsay) для Evolution of Interstellar Dust Key Program Consortium)
Цей перехід від турбулентності до гравітації є фізичним розташуванням у хмарі, і, незважаючи на теоретичні прогнози, розташування, форма та ширина перехідної зони були невідомі. Це через складність.
«Фізичні процеси настільки надзвичайно складні, що їх взаємодію можна вивчити лише за допомогою комп’ютерного моделювання», – сказав співавтор дослідження професор Рафл Клессен з Університету Гейдельберга.
Клессен очолює дослідницьку групу в університеті, і вони використовували обладнання Суперкомп'ютерний центр Лейбніца провести моделювання.
Федеррат і його колеги змоделювали турбулентність по обидва боки надзвукової та звукової шкал. Динаміка цієї турбулентності всередині газових хмар є надзвичайно складною і вимагає надзвичайних обчислювальних потужностей для моделювання. «Для нашого спеціального моделювання, у якому ми хочемо відслідковувати як надзвуковий, так і дозвуковий каскади турбулентності з звуковим масштабом між ними, ми повинні розв’язати щонайменше чотири порядки в просторі», — пояснив Федеррат у своєму доповіді. прес-реліз .
Це скріншот відео симуляції команди. Натисніть, щоб переглянути. Авторство: Federrath et al 2021.
За словами команди дослідників, їхнє моделювання мало приголомшливий успіх і підтвердило теоретичні прогнози. Вони змогли знайти положення перехідної зони між надзвуковою та звуковою шкалами, а також змогли кількісно визначити її ширину та форму. Вони також виявили, що перехід не чітко окреслений, а відбувається в широкому масштабі.
Мало того, вони порівняли результати свого моделювання із спостереженнями газової хмари в Чумацького Шляху. Ці спостереження підтвердили їхні висновки.
«Теоретично ця перехідна зона визначає частоту, з якою щільні ядра можна знайти в міжзоряних газових хмарах», — пояснив професор Клессен. «Тому ми порівняли наші прогнози із спостереженнями газової хмари IC5146 у Чумацького Шляху і отримали дуже гарну узгодженість. Це обнадійливий результат», – додав він.
Широка дослідницька спільнота з астрономії звернула увагу на роботу команди. Крістофер МакКі з кафедри астрономії Каліфорнійського університету в Берклі та Джеймс Стоун з Інституту перспективних досліджень у Прінстоні, штат Нью-Джерсі, написали Новини та перегляди в Nature Astronomy говорять про значення цього дослідження.
«Утворення зірок має центральне значення в астрофізиці», — пояснюють вони. «Це призводить не тільки до різноманітності зірок, які спостерігаються у Всесвіті, але й (опосередковано) до утворення планет і чорних дір, створення важких елементів, активізації міжзоряного середовища та навкологалактичного середовища за допомогою зворотного зв’язку з радіація, вітри та наднові, і навіть еволюція галактик».
Панорамне зображення Хаббла туманності Кіля, що показує турбулентний вплив зоряних вітрів та іонізуючого випромінювання від масивних зірок на молекулярну хмару, з якої народилися зірки. Автори зображень: NASA / ESA / Н. Сміт (Каліфорнійський університет, Берклі) / команда Hubble Heritage (STScI/AURA).
Через часові рамки, пов’язані з утворенням молекулярних хмар і зірок, їх неможливо вивчити спостережними методами. Це можна вирішити лише за допомогою моделювання, а результати цього моделювання можна потім порівняти із спостереженнями, як у цьому новому дослідженні. «Складна і нелінійна структура надзвукової турбулентності робить чисельні експерименти вирішальними для розуміння фізики зореутворення», — пише пара у своїй статті.
А Федеррат і його колеги виконали найсуворіше і детальне моделювання. Швидкий розвиток обчислювальної потужності уможливив такі типи моделювання, і, як зазначають МакКі та Стоун, суперкомп'ютер, який використовується в цьому моделюванні, вже перевершений за потужністю.
Для вчених, які вивчають проблему, розробка потужних комп’ютерів і не менш потужного програмного забезпечення розсуває кордони розуміння. «І в Сполучених Штатах, і в Європі планується створити так звані екзамасштабні системи (здатні до 1018Було оголошено обчислення з плаваючою комою в секунду, приблизно в десять разів швидше, ніж сучасні суперкомп’ютери), які будуть доступні в найближчі кілька років», – пишуть МакКі та Стоун. «Хоча розробити наукове програмне забезпечення, яке зможе повною мірою використовувати переваги таких систем, буде серйозною проблемою, майбутнє обчислювальних підходів для дослідження широкого кола проблем астрофізики, включаючи утворення зірок, залишається дуже яскравим».
Більше:
- Прес-реліз: Моделювання турбулентності міжзоряного середовища б'є рекорди
- Нове дослідження: Звукова шкала міжзоряної турбулентності
- Новини та перегляди: Турбулентність на небесах
- Всесвіт сьогодні: Астрономи розробили карту сировини для новоутворення зірок у Чумацького Шляху